Artistieke impressie van een planeetvormende schijf rond een jonge ster. (MPIA Grafische Afdeling) Is ons zonnestelsel vergelijkbaar met andere zonnestelsels? Hoe zien andere systemen eruit? We weten uit onderzoek naar exoplaneten dat veel andere systemen hete Jupiters hebben, massieve gasreuzen die extreem dicht bij hun sterren draaien. Is dat normaal en is ons zonnestelsel de uitbijter?
Een manier om deze vragen te beantwoorden, is door de planeetvormende schijven rond jonge sterren te bestuderen om te zien hoe ze evolueren.
Maar het bestuderen van een grote steekproef van deze systemen is de enige manier om een antwoord te krijgen.
Dat is dus wat een groep astronomen deed toen ze 873 protoplanetaire schijven onderzochten.
Massa is het cruciale onderdeel in een nieuwe studie naar planeetvormende schijven. De massa van de schijf bepaalt hoeveel materie er beschikbaar is om planeten te vormen.
Door de massa van de schijven rond jonge sterren te meten, kunnen astronomen de totale massa van planeten die zich daar kunnen vormen, beperken en een stap dichter bij het begrijpen van de architectuur van het zonnestelsel komen.
De nieuwe studie is ' Overzicht van Orion-schijven met ALMA (SODA): I. Demografische gegevens op cloudniveau van 873 protoplanetaire schijven. ' Het is gepubliceerd in het tijdschrift Astronomie en astrofysica , en de hoofdauteur is Sierk van Terwisga, een wetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland.
'Tot nu toe wisten we niet zeker welke eigenschappen de evolutie van planeetvormende schijven rond jonge sterren domineren', van Terwisga gezegd in een persbericht.
'Onze nieuwe resultaten geven nu aan dat in omgevingen zonder enige relevante externe invloed, de waargenomen schijfmassa die beschikbaar is voor het vormen van nieuwe planeten alleen afhangt van de leeftijd van het ster-schijfsysteem.'
De stofmassa vertelt astronomen niet alleen de massa van planeten die uit een schijf zouden kunnen ontstaan. Afhankelijk van de leeftijd van de schijf, zou het astronomen ook kunnen vertellen welke planeten zich al hebben gevormd.
Maar andere factoren zijn ook van invloed op de schijfmassa, en die factoren variëren van schijf tot schijf. Dingen zoals stellaire wind en bestraling van nabije sterren buiten de schijf kunnen ook de massa beïnvloeden.
Dus hoe konden de onderzoekers die effecten isoleren in zo'n grote steekproef?
Ze concentreerden zich op een bekend gebied van protoplanetaire schijven, de Orion Een wolk , dat deel uitmaakt van het Orion Molecular Cloud Complex (OMCC).
De OMCC bevindt zich op ongeveer 1350 lichtjaar afstand en is de thuisbasis van de goed bestudeerde Orionnevel, een functie die zelfs astronomen in de achtertuin kunnen zien.
(S.E. van Terwisga et al./MPIA)
Bovenstaande: Deze afbeelding toont de gigantische stervormende wolk Orion A, zoals waargenomen door het SPIRE-instrument (Spectral and Photometric Imaging Receiver) aan boord van de Herschel Space Telescope. Het volgt de grootschalige verspreiding van koud stof. Orion A bevindt zich op ongeveer 1350 lichtjaar afstand en bestaat uit afzonderlijke stervormingsgebieden zoals aangegeven door hun labels. De locaties van planeetvormende schijven (+) die met ALMA zijn waargenomen, zijn aangegeven, terwijl schijven met een stofmassa van meer dan 100 aardmassa's als blauwe stippen worden weergegeven.
Álvaro Hacar is een co-auteur van de studie en een wetenschapper aan de Universiteit van Wenen, Oostenrijk. 'Orion A leverde ons een ongekend grote steekproefomvang van meer dan 870 schijven rond jonge sterren', Hacar gezegd . 'Het was cruciaal om te kunnen zoeken naar kleine variaties in de schijfmassa, afhankelijk van de leeftijd en zelfs op de lokale omgevingen in de cloud.'
Dit is een goed voorbeeld omdat alle schijven tot dezelfde cloud behoren. Dat betekent dat hun chemie uniform is en dat ze allemaal dezelfde geschiedenis hebben.
De nabije Orion Nebular Cluster (ONC) herbergt enkele massieve sterren die andere schijven zouden kunnen beïnvloeden, dus het team verwierp alle schijven in Orion A dichter dan 13 lichtjaar van de ONC.
Het meten van de massa van al deze schijven was lastig. Het team gebruikte de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) om het stof te observeren. ALMA kan op verschillende golflengten worden afgestemd, dus het team observeerde de jonge schijven op een golflengte van 1,2 mm.
Op die golflengte is het stof helder, maar de ster is zwak, wat helpt om het effect van de ster in elke schijf te elimineren. Omdat observatie op 1,2 millimeter de waarnemingen ongevoelig maakt voor objecten die groter zijn dan een paar millimeter - bijvoorbeeld planeten die al zijn gevormd - hebben de metingen van het team alleen stof gemeten dat beschikbaar is om nieuwe planeten te vormen.
Het meten van stof zonder interferentie van sterren was één hindernis, maar de onderzoekers stonden voor een andere: data.
Een gedetailleerd overzicht van bijna 900 protoplanetaire schijven levert veel gegevens op, en al die gegevens moeten worden verwerkt voordat het enige collectieve betekenis heeft. Als het team op bestaande methoden had vertrouwd, zou het ongeveer zes maanden hebben geduurd om al die gegevens te verwerken.
In plaats daarvan ontwikkelden ze hun eigen methode om de gegevens te verwerken met behulp van parallelle verwerking . Wat maanden zou hebben geduurd, duurde minder dan een dag. 'Onze nieuwe aanpak verbeterde de verwerkingssnelheid met een factor 900', co-auteur Raymond Oonk gezegd .
Toen ze de gegevens verwerkten, ontdekten de onderzoekers dat de meeste schijven slechts 2,2 aardmassa's stof bevatten. Slechts 20 van de bijna 900 schijven bevatten genoeg stof voor 100 of meer aardes.
'Om variaties te zoeken hebben we de Orion A-wolk ontleed en deze regio's afzonderlijk geanalyseerd. Dankzij de honderden schijven waren de deelmonsters nog steeds groot genoeg om statistisch zinvolle resultaten op te leveren', van Terwisga uitgelegd .
De onderzoekers vonden enige variabiliteit in schijfstofmassa in verschillende regio's van Orion A, maar de variaties waren minimaal. Volgens de auteurs kan het leeftijdseffect de variaties verklaren. Naarmate schijven ouder worden, neemt de schijfmassa af en hebben clusters van schijven van dezelfde leeftijd dezelfde massaverdeling.
'We moeten benadrukken dat de verschillen tussen deze clusters, die ver van elkaar aan de hemel liggen, klein zijn en niet erg significant ten opzichte van elkaar en het veld, zelfs in de meest extreme gevallen', de auteurs schrijven in hun krant .
(Van Terwisga et al., Astronomy & Astrophysics, 2022)
Bovenstaande: Deze figuur toont de zes clusters met lage massa en lage dichtheid van YSO's in de studie. Ondanks hun brede verspreiding in Orion A, vertonen de schijven dezelfde correlatie tussen massa en leeftijd.
De verwachting is dat naarmate schijven ouder worden hun stofmassa afneemt. Planetaire vorming is verantwoordelijk voor het grootste deel van die afname: wat ooit stof was, wordt planeten.
Maar ook andere effecten dragen bij aan stofverlies. Stof kan naar het schijfcentrum migreren en bestraling van de gastster kan het stof verdampen.
Maar deze studie versterkt de correlatie tussen leeftijd en stofverlies.
Kunnen de resultaten van dit onderzoek van toepassing zijn op andere jonge sterschijfpopulaties? De auteurs vergeleken hun resultaten van Orion A met verschillende naburige stervormingsgebieden met jonge schijven.
De meeste, maar niet alle, passen bij het leeftijdsgebonden massaverlies dat te zien is in Orion A.
'Al met al denken we dat onze studie bewijst dat alle populaties van planeetvormende schijven op zijn minst binnen de komende 1000 lichtjaar op een bepaalde leeftijd dezelfde massaverdeling vertonen. En ze lijken op min of meer dezelfde manier te evolueren', van Terwisga gezegd .
De onderzoekers hebben meer werk dat ze willen doen. Ze gaan onderzoeken welk effect kleinere sterren kunnen hebben op een kleinere schaal van enkele lichtjaren.
In deze studie vermeden ze het effect dat massieve sterren in de ONC kunnen hebben op naburige schijven. Maar kleinere achtergrondsterren zouden de schijven nog steeds kunnen beïnvloeden, en ze zouden enkele van de kleine variaties in de leeftijd-massacorrelatie kunnen verklaren.
De leeftijd van de ster en zijn schijf, de chemische eigenschappen en de dynamiek van de moederwolk worden allemaal gecombineerd met massa om een duidelijker beeld te schetsen van het zonnestelsel dat uit de schijf ontstaat. Astronomen zijn niet in staat om dergelijke gegevens te verzamelen en te voorspellen welk type planeten zich in een bepaald zonnestelsel kunnen vormen.
Maar het is opmerkelijk dat de correlatie tussen schijfleeftijd en schijfmassa sterk is, zelfs over grote structuren zoals Orion A.
'De opmerkelijk homogene eigenschappen van schijfmonsters van dezelfde leeftijd zijn een verrassende bevinding', zeggen de auteurs concluderen , en hun resultaten bevestigen waar eerdere studies en enquêtes op wezen.
'Nu kunnen we echter aantonen dat dit geldt voor een groter aantal YSO's en YSO-clusters, die zich vormen in goed gescheiden delen van dezelfde gigantische wolk. Voor het eerst kunnen we dankzij de ongekende grootte van het SODA-schijfmonster (Survey of Orion Disks with Alma) inzoomen op de effecten van leeftijdsgradiënten en clustering in één enkel stervormingsgebied.'
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd door Universum vandaag . Lees de origineel artikel .