Universiteit van Amsterdam

Persbericht Universiteit van Amsterdam


donderdag 25 november 2004

UvA-sterrenkundigen ontdekken kraamkamers voor nieuwe aarde

Het vinden van aardachtige planeten rond andere sterren geldt als de heilige graal van de moderne sterrenkunde. Een team met UvA-wetenschappers is er met een nieuwe techniek in geslaagd gedetailleerde infraroodopnamen te maken van drie zonnestelsels in wording, waar de ingrediënten voor het ontstaan van aardachtige planeten op de goede plaats zitten.

Onze zon ontstond 4,5 miljard jaar geleden uit een koude, zware wolk gas en stof tussen de sterren, die zich onder z n eigen gewicht begon samen te trekken. Rond de jonge ster ontstond vervolgens een stoffige gasschijf, waarin zich iets later ook de aarde, de overige planeten, asteroïden en kometen vormden. We kunnen dit proces vandaag de dag bestuderen door te kijken naar de infraroodstraling van zeer jonge sterren waar zulke schijven nog omheen zitten. Voorheen konden astronomen echter geen ruimtelijke details in deze schijven onderscheiden, simpelweg omdat ze te ver weg staan. Een nieuwe aanpak heeft nu voor een enorme sprong voorwaarts in de speurtocht naar aardachtige planeten gezorgd.

Een Europees consortium bouwde met steun van onderzoeksschool NOVA en NWO-stichting ASTRON een nieuw instrument voor de waarneming van planeten: het MID-infrared Instrument for the VLT Interferometer (MIDI). MIDI combineert het licht van twee 8,2 meter VLT-telescopen op de berg Paranal in Chili, zodat een virtuele telescoop met een spiegeldiameter van maximaal 100 meter ontstaat. Daarmee bereikte het internationale team van sterrenkundigen een maximale beeldscherpte van 0,02 boogseconde, tien keer zo scherp als een enkele Very Large Telescoop (VLT). Hierdoor konden de onderzoekers - onder wie UvA-sterrenkundigen Roy van Boekel, Carsten Dominik, Alex de Koter en Rens Waters - de infraroodstraling in kaart brengen van schijven rond drie sterren die pas een paar miljoen jaar oud zijn. Dankzij MIDI konden ze de straling uit het binnengedeelte van de schijf (ongeveer zo groot als de baan van de aarde om de zon) onderscheiden van de straling uit de buitenste delen. De infrarood-vingerafdruk (het spectrum) gaf ook voor het eerst gedetailleerde informatie over de chemische samenstelling van het stof en zelfs over de gemiddelde afmeting van de stofkorrels.

Oerkorrels

Het was al enige tijd bekend dat het grootste deel van het stof in de schijven rond pasgeboren sterren uit silicaten bestaat. In de primaire wolk is het stof amorf, wat wil zeggen dat de atomen en moleculen in een stofkorrel onregelmatig op elkaar liggen. De korrels zijn ook zeer klein, 0,1 micrometer diameter. In de schijf vlak bij de ster, waar temperatuur en dichtheid het hoogst zijn, hebben stofkorrels de neiging om samen te klonteren. Ook zal de hitte (ca. 1000 graden) ervoor zorgen dat de moleculen in de korrels zichzelf in een regelmatig patroon rangschikken, zodat kristallen ontstaan. Op deze manier moet stof in de schijf tot op ongeveer de helft van de afstand aarde-zon kunnen worden omgezet van ongerept (kleine, amorfe korreltjes) tot opgewerkt (grotere, deels gekristalliseerde korrels).

Silicaatkorrels zenden een karakteristieke mix van infraroodstraling uit rond een golflengte van ongeveer 10 micrometer. De exacte samenstelling van deze mix (het spectrum) hangt zowel van de grootte als de mate van kristallisatie af. Voorheen lieten de infraroodspectra een mengsel van ongerept en opgewerkt materiaal zien, maar waar dit precies in de schijf voorkwam was niet te zeggen. Voor details over de samenstelling en structuur van zulke schijven was men dan ook aangewezen op computermodellen. Met name UvA-sterrenkundige Carsten Dominik had op dit gebied al eerder belangrijke vorderingen geboekt.

Het MIDI-team heeft nu de infrarood-spectra van de gasschijven van alledrie de jonge sterren. Daaruit bleek dat het stof dicht bij de ster, geheel conform eerdere aanwijzingen, inderdaad meer opgewerkt is dan het stof in de buitengebieden. Bij twee van de sterren (HD 144432 en HD 163296) was het stof in de buitengebieden nog vrijwel ongerept, terwijl bij de derde ster (HD 142527) de hele schijf al vrij ver was opgewerkt, met in het centrum zelfs compleet kristallijn silicaat-stof ( zand ). Deze korrels - met een diameter van 1 micron - moeten al begonnen zijn samen te klonteren uit het veel fijnere, amorfe stof (diameter 0,1 micrometer) dat in de oorspronkelijke wolk voorkwam.

Aardachtige planeten

Voor het ontstaan van aardachtige, voornamelijk uit steen bestaande planeten is een overvloedige voorraad van dit soort zand op ongeveer de aarde-zon afstand (150 miljoen kilometer) tot de pasgeboren ster een vereiste. UvA-sterrenkundige prof. dr. Rens Waters: Met alle ingrediënten op hun plaats en met het klonteren van stof tot grotere korrels al op gang, is het hoogst onwaarschijnlijk dat het proces hier stopt. Dus het ontstaan van steeds grotere brokken steen en, tenslotte, aardachtige planeten uit deze schijven is bijna onvermijdelijk. Dat is een mijlpaal, want alle tot nu toe gevonden planeten (ruim 100) rond andere sterren zijn gasreuzen, zonder vast oppervlak of vloeibaar water.

Deze bouwstenen voor aardachtige planeten zijn er dus van het begin af aan, wat Waters tot de ondubbelzinnige conclusie brengt dat ook de aarde is gemaakt van zulke kristallen. Op de aarde zelf kunnen we die niet meer terugvinden, omdat de aarde kort na zijn ontstaan een tijd lang roodgloeiend en gesmolten geweest is, en pas later een vaste korst vormde. De sporen van deze bouwstenen zijn daardoor volledig uitgewist. Oerkorrels kristallijn silicaat worden wel veel aangetroffen in meteorieten uit ons eigen zonnestelsel die op aarde terechtkomen. Verrassender is echter dat ook de kometen in ons zonnestelsel die nog verder van de zon zijn ontstaan dan de buitenste planeten, dus altijd in koude delen van het zonnestelsel - zowel ongerept als opgewerkt materiaal bevatten. Kometen die ons soms vanuit de buitengewesten van het zonnestelsel bezoeken, bevatten dus niet alleen het ongerepte stof uit de gaswolken tussen de sterren, maar ook bouwstenen die vergelijkbaar zijn met de eerste bouwstenen van de aarde. Het zijn kosmische stenen van Rosetta , die dateren uit een tijdperk waarin de aarde en de overige planeten zich nog moesten gaan vormen.

Nature

Hoe de kristallijne stofkorrels zo ver van de zon af terecht zijn gekomen, is nog onduidelijk. Het team concludeert dat

Zie voor een beschrijving van MIDI: http://www.eso.org/instruments/midi. Het MIDI-team bij deze waarnemingen bestaat uit astronomen van het Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek (Universiteit van Amsterdam), de Leidse Sterrewacht (Universiteit Leiden) en collega s uit België, Frankrijk, Duitsland en van ESO (European Southern Observatory). Het team publiceert haar bevindingen in Nature van 25 November, in het artikel: The building blocks of planets within the terrestial region of protoplanetary disks.