Webb ziet planeten ontstaan in stofschijven

Nieuwe Webb-beelden tonen twee protoplanetaire schijven rond jonge sterren in detail. De complexe structuren onthullen hoe stofkorrels samenklonteren tot planeten…

De James Webb-ruimtetelescoop heeft adembenemende beelden vastgelegd van twee protoplanetaire schijven rond pasgeboren sterren. De objecten Tau 042021 en Oph 163131 – op respectievelijk 450 en 480 lichtjaar afstand in de sterrenbeelden Stier (Tau) en Slangendrager (Oph) – zijn beiden vrijwel precies op hun kant naar de aarde toe gericht. Die oriëntatie biedt astronomen een uniek kans om het planeetvormingsproces in detail te bestuderen.

De protoplanetaire schijven Tau 042021 (links, ook gekend als 2MASS J04202144+2813491) en Oph 163131 (rechts, ook gekend als 2MASS J16313124-2426281), gefotografeerd door Webb’s NIRCam- en MIRI-instrumenten. De donkere banden in het midden zijn de stofrijke schijven zelf; de gekleurde ‘vleugels’ bestaan uit verstrooid sterlicht van fijn stof boven en onder de schijf. Foto’s: ESA/Webb, NASA & CSA, ESA/Hubble, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), G. Duchêne, M. Villenave. Klik hier om deze afbeelding zoombaar te openen, hier om deze op hoge resolutie te downloaden als printbaar .tif-bestand (13 MB), of hier als .jpg-bestand (0,2 MB) als schermafbeelding.

Stofkorrels als bouwstenen van planeten

Wanneer een jonge ster ontstaat uit een instortende gaswolk, blijft er een dikke schijf van gas en stof rond de ster achter. In die zogeheten protoplanetaire schijf botsen stofdeeltjes steeds vaker, klonteren samen en vormen uiteindelijk planetesimalen – de eerste bouwstenen van planeten. “De unieke eigenschap van deze twee objecten is dat we precies op de rand van de schijf kijken”, aldus de onderzoekers. “Hierdoor wordt het felle licht van de centrale ster grotendeels geblokkeerd en kunnen we het fijne stof zien dat boven en onder de schijf is uitgestegen.”

Gecombineerde detailopname van protoplanetaire schijf Tau 042021, gebruik makende van Webb’s MIRI- en NIRCam instrumenten (infrarood) en Hubble beelden (optisch). De donkere band in het midden is de stofrijke schijf zelf, die de centrale ster volledig aan het zicht onttrekt. De paarse stralen loodrecht op de schijf zijn uitstotingsverschijnselen van de jonge ster. De rode, groene en blauwe tinten in de ‘vleugels’ komen overeen met verschillende moleculen (waaronder waterstof, koolmonoxide en PAK’s) en verschillende stofkorrelgrootten. De knopen in de straal vertonen kleurverschillen tussen Hubble (blauwer) en Webb (roder) doordat de straal in de twaalf jaar tussen de waarnemingen is bewogen. Drie verre sterrenstelsels zijn zichtbaar als vage vlekken rechtsboven. Foto: ESA/Webb, NASA & CSA, ESA/Hubble, G. Duchêne. Klik hier om deze afbeelding zoombaar te openen, hier om deze op hoge resolutie te downloaden als printbaar .tif-bestand (6 MB), of hier als .jpg-bestand (0,1 MB) als schermafbeelding.

Uit waarnemingen met Webb’s NIRCam- en MIRI- opname-instrumenten blijkt dat de stofkorrels in Tau 042021 opmerkelijk uniform zijn verdeeld. In een begeleidende studie in The Astronomical Journal concluderen astrofysicus Gaspard Duchêne en zijn onderzoeksteam dat kleinere korrels tot 10 micrometer grootte volledig zijn vermengd met het gas in de buitenste delen van de schijf, terwijl grotere korrels (>100 micrometer) juist sterk naar het middenvlak zijn gezakt. Dat is de eerste keer dat waarnemingen een directe beperking opleggen aan de mate van bezinking van korrels in de 10-micrometer-grootteklasse:

Modelvoorspellingen (bovenste rij) versus daadwerkelijke waarnemingen (onderste rij) van Tau 042021 bij verschillende golflengtes, variërend van optisch (0,6 μm) tot mid-infrarood (21 μm). De geringe kleurenafhankelijkheid wijst op ‘grijze’ opaciteit van stof in de oppervlaktelagen. Afbeelding: Duchêne et al. (2024)

Een veelbelovende leemte in Oph 163131

De schijf rond Oph 163131 vertoont een bijzondere structuur die wijst op mogelijke planeetvorming. ALMA-waarnemingen van de schijf – die maar liefst 66 miljard kilometer breed is – tonen twee heldere ringen gescheiden door een duidelijke leemte. “Die leemte kan het gevolg zijn van een zich vormende planeet die het stof in zijn baan heeft weggevaagd”, schrijven astrofysicus Villenave en zijn onderzoeksteam in The Astrophysical Journal (2022). Hun modellen laten zien dat millimeter-grote stofkorrels in het buitenste deel van de schijf een schaalhoogte van slechts 0,5 astronomische eenheid of minder hebben – extreem dun, en uitzonderlijk gunstig voor de groei van planeten via het accretie mechanisme.

Hubble-, ALMA- en JWST-gecombineerde breedbeeldopname van protoplanetaire schijf Oph 163131. De schijf heeft een diameter van 66 miljard kilometer – enkele malen breder dan ons zonnestelsel. De paarse bogen boven en onder het centrum worden veroorzaakt door microscopisch kleine stofkorrels (micrometers) die sterlicht verstrooien, zichtbaar met Hubble en Webb’s NIRCam. De gele ringen in het middenvlak bestaan uit grotere stofkorrels (millimeters) die zijn vastgelegd met ALMA; de donkere opening tussen de twee ringen wijst mogelijk op een zich vormende planeet. De rode, groene en blauwe gloed rondom de schijf komt van Webb’s MIRI-instrument. Foto: ESA/Webb, NASA & CSA, ESA/Hubble, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Villenave. Klik hier om deze afbeelding zoombaar te openen, hier om deze op zeer hoge resolutie te downloaden als printbaar .tif-bestand (33 MB), of hier als .jpg-bestand (0,3 MB) als schermafbeelding.

Geannoteerde close-up van Oph 163131. ‘Scattered dust’ (verstrooid stof) boven en onder de schijf; ‘Dark lane’ (donkere baan) ter hoogte van het stofrijke middenvlak; ‘Inner disc’ en ‘Outer disc’ (binnenste en buitenste schijf) gescheiden door een ‘Gap’ (leemte). ‘Extended diffuse emissions’ (uitgestrekte diffuse emissies) rondom de schijf zijn vooral zichtbaar in het mid-infrarood. De schaalstreep rechtsonder geeft 100 astronomische eenheden weer (ongeveer 15 miljard kilometer), ongeveer een kwart van de totale schijfbreedte. Foto/afbeelding: ESA/Webb, NASA & CSA, ESA/Hubble, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Villenave. Klik hier om deze afbeelding zoombaar te openen, hier om deze op hoge resolutie te downloaden als printbaar .tif-bestand (30 MB), of hier als .jpg-bestand (0,45 MB) als schermafbeelding.

Verborgen warmte en raadselachtige structuren

Opvallend genoeg verandert het uiterlijk van Oph 163131 drastisch wanneer je naar langere golflengtes kijken. Bij 2,0 en 4,4 micrometer zijn de twee verstrooiingsvlakken nog duidelijk zichtbaar, maar vanaf 7,7 micrometer verdwijnt die structuur. In plaats daarvan verschijnt een compacte centrale bron die groter wordt naarmate de golflengte toeneemt, én ontstaan er vlekkerige structuren die twee keer zo ver reiken als het zichtbare licht. “Deze overgang wijst erop dat de oppervlaktelagen van Oph 163131 geen korrels groter dan ongeveer 1 micrometer bevatten”, concluderen de onderzoekers in een vervolgstudie uit The Astrophysical Journal (2024). Dat staat in schril contrast met Tau 042021, waar juist wél grotere korrels in de oppervlaktelagen aanwezig zijn – een aanwijzing dat de efficiëntie van stofbezinking sterk kan verschillen tussen schijven.

ALMA-continuümwaarnemingen van Oph 163131 bij 1,3 mm. De twee ringen (gemarkeerd als ‘ring 1’ en ‘ring 2’) worden gescheiden door een leemte (‘gap 1’), mogelijk veroorzaakt door een zich vormende planeet. De schaalstreep onderaan geeft 20 astronomische eenheden weer (ongeveer 3 miljard kilometer). Afbeelding: Villenave et al. (2022)

Nieuw licht op het ontstaan van ons eigen zonnestelsel

Deze waarnemingen laten zien hoe complex het proces van planeetvorming is. Waar de ene schijf nog relatief ‘rommelig’ is met opwervelend stof, is de andere al verder gevorderd met uitgesproken bezinking en mogelijk gevorderde planeetvorming. Door dergelijke protoplanetaire schijven in verschillende levensfasen te bestuderen, hopen astronomen uiteindelijk te begrijpen hoe ook ons eigen zonnestelsel – met zijn steenachtige planeten, een asteroïdengordel, verder gelegen gasreuzen en een Oortwolk in de buitenste regionen – ruim 4,5 miljard jaar geleden is ontstaan.

De afgelopen decennia zijn er prachtige foto’s gemaakt van interstellaire nevels, sterrenstelsels, planeten, andere hemellichamen en in de ruimtevaart. Ieder weekend halen we een indrukwekkende ruimtefoto uit het archief. Genieten van alle foto’s? Bekijk ze op deze pagina. Heb je zelf bijzondere (astro)foto’s die je wil delen met ons? Stuur ze in via ons mailadres o.v.v. ‘Ruimtefoto’!

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: