Persbericht

Steruitbarsting brengt sneeuwgrens van water in beeld

13 juli 2016

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) heeft voor het eerst de sneeuwgrens van water binnen een protoplanetaire schijf kunnen onderscheiden. Deze grens geeft aan waar de temperatuur in de schijf rond een jonge ster ver genoeg zakt om sneeuw te kunnen vormen. Door een spectaculaire toename van de helderheid van de jonge ster V883 Orionis warmde het binnenste deel van de schijf snel op, waardoor de sneeuwgrens veel verder naar buiten opschoof dan normaal is voor een protoster en deze voor het eerst kon worden waargenomen. De resultaten van de waarnemingen worden op 14 juli 2016 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Jonge sterren zijn vaak omringd door een dichte, draaiende schijf van gas en stof waaruit planeten kunnen ontstaan: een protoplanetaire schijf. De warmte die een gemiddelde jonge zonachtige produceert, zorgt ervoor dat het water binnen de protoplanetaire schijf tot op afstanden van ruwweg 3 AE van de ster gasvormig blijft [1]. Dat komt overeen met driemaal de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon, oftewel ongeveer 450 miljoen kilometer [2]. Verder naar buiten gaan watermoleculen, ten gevolge van de extreem lage druk, rechtstreeks over van gasvormige naar vaste toestand en krijgen (stof)deeltjes een manteltje van ijs. Het gebied in de protoplanetaire schijf waar water van een gas in ijs verandert, wordt de sneeuwgrens van water genoemd [3].

Maar de ster V883 Orionis vertoont uitzonderlijk gedrag. Een spectaculaire toename van zijn helderheid heeft de sneeuwgrens doen opschuiven naar een afstand van ongeveer 40 AE (ongeveer 6 miljard kilometer of ruwweg de grootte van de omloopbaan van de dwergplaneet Pluto in ons zonnestelsel). Dankzij deze verre ligging en de hoge resolutie van ALMA bij lange basislijnen [4] heeft een team onder leiding van Lucas Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus en Universidad Diego Portales, Santiago, Chili) nu als eerste de sneeuwgrens van water in een protoplanetaire schijf rechtstreeks kunnen waarnemen.

Plotselinge helderheidsuitbarstingen zoals die van V883 Orionis ontstaan wanneer grote hoeveelheden materiaal vanuit de omringende schijf op het oppervlak van de ster belanden. V883 Orionis heeft slechts 30% meer massa dan de zon, maar is dankzij de huidige uitbarsting maar liefst 400 keer zo helder – en veel heter [5].

Hoofdauteur Lucas Cieza legt uit: ‘De ALMA-waarnemingen kwamen als een verrassing. Onze waarnemingen waren opgezet om naar tekenen van schijffragmentatie te zoeken – de voorbode van planeetvorming. Die hebben we niet gevonden, maar wel een 40 AE grote ring. Dat illustreert de veelzijdigheid van ALMA, die met spannende resultaten over de brug komt, zelfs als je naar iets anders op zoek bent.’

Dat er sneeuw kan bestaan in de ruimte is wellicht een bizarre gedachte, maar dit is cruciaal voor het planeetvormingsproces. De aanwezigheid van waterijs reguleert de efficiency waarmee stofdeeltjes kunnen samenklonteren – de eerste stap naar de vorming van een planeet. Aangenomen wordt dat binnen de sneeuwgrens, waar water verdampt, kleine rotsachtige planeten als de onze ontstaan. Voorbij de sneeuwgrens zorgt de aanwezigheid van waterijs voor de snelle vorming van kosmische sneeuwballen, die uiteindelijk uitgroeien tot zware gasplaneten zoals Jupiter.

De ontdekking dat stellaire uitbarstingen de sneeuwgrens met ongeveer een factor 10 kunnen doen opschuiven, is van grote betekenis voor de ontwikkeling van goede planeetvormingsmodellen. Vermoed wordt dat de meeste planetenstelsels op enig moment in hun ontwikkeling met zulke uitbarstingen te maken krijgen. Dit zou dus wel eens de eerste waarneming van een veel voorkomend verschijnsel kunnen zijn. In dat geval kan deze ALMA-waarneming een significante bijdrage leveren aan onze kennis van de vorming en ontwikkeling van planeten.

Noten

[1] 1 AE, oftewel één astronomische eenheid, is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon, die ongeveer 149,6 miljoen kilometer bedraagt. Deze eenheid wordt veel gebruikt om afstanden binnen het zonnestelsel en planetenstelsels rond andere sterren in uit te drukken.

[2] Deze grens lag tijdens de vorming van het zonnestelsel tussen de omloopbanen van de Mars en Jupiter. De rotsachtige planeten Mercurius, Venus, aarde en Mars ontstonden dus binnen deze grens, en de gasachtige planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus daarbuiten.

[3] Eerder zijn met ALMA al de sneeuwgrenzen waargenomen van andere moleculen, zoals koolstofmonoxide en methaan, die op meer dan 30 AE van de protoster in andere protoplanetaire schijven liggen. Omdat het vriespunt van water bij een relatief hoge temperatuur ligt, ligt de sneeuwgrens van water doorgaans veel te dicht bij de protoster om rechtstreeks waarneembaar te zijn.

[4] Resolutie is het vermogen om objecten van elkaar te kunnen onderscheiden. Voor het menselijk oog vormen een aantal heldere fakkels op grote afstand één heldere vlek; alleen van dichtbij zijn de afzonderlijke fakkels herkenbaar. Hetzelfde principe is van toepassing op telescopen: op de afstand van de V883 Orionis heeft ALMA een resolutie van ongeveer 12 AE. Dat is voldoende om de sneeuwgrens van water op 40 AE van een uitbarstende ster te detecteren, maar niet toereikend om deze grens bij een doorsnee jonge ster te kunnen waarnemen.

[5] Sterren zoals V883 Orionis staan bekend als FU Orionis-sterren, die genoemd zijn naar de eerste ster waarbij dit gedrag is waargenomen. De uitbarstingen van deze sterren kunnen honderden jaren duren.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Imaging the water snow-line during a protostellar outburst’ van L. Cieza et al., dat op 14 juli 2016 in Nature verschijnt.

Het onderzoeksteam bestaat uit Lucas A. Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus; Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), Simon Casassus (Universidad de Chile, Santiago, Chili), John Tobin (Sterrewacht Leiden), Steven Bos (Sterrewacht Leiden), Jonathan P. Williams (University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaï, VS), Sebastian Perez (Universidad de Chile, Santiago, Chili), Zhaohuan Zhu (Princeton University, Princeton, New Jersey, VS), Claudio Cáceres (Universidad Valparaiso, Valparaiso, Chili), Hector Canovas (Universidad Valparaiso, Valparaiso, Chili), Michael M. Dunham (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, VS), Antonio Hales (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chili), Jose L. Prieto (Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), David A. Principe (Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), Matthias R. Schreiber (Universidad Valparaiso, Valparaiso, Chili), Dary Ruiz-Rodriguez (Australian National University, Mount Stromlo Observatory, Canberra, Australië) en Alice Zurlo (Universidad Diego Portales & Universidad de Chile, Santiago, Chili).

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de National Science Foundation (NSF) van de VS, de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, met steun van de republiek Chili.  ALMA wordt gefinancierd door ESO, namens haar lidstaten, door NSF, in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en door NINS, in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

De bouw en het beheer van ALMA worden geleid door ESO, namen haar lidstaten; door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), namens Noord-Amerika, en door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), namens Oost-Azië. De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).

ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

•       Onderzoeksartikel

•       Foto’s van ALMA

Contact

Lucas Cieza
Universidad Diego Portales
Santiago, Chile
Tel: +56 22 676 8154
Mob: +56 95 000 6541
E-mail: lucas.cieza@mail.udp.cl

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mob: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Rodrigo Alvarez (press contact België)
ESO Science Outreach Network en Planetarium, Royal Observatory of Belgium
Tel: +32-2-474 70 50
E-mail: eson-belgië@eso.org

Connect with ESO on social media