Van het interstellaire medium naar de vorming en evolutie van planetenstelsels

Alle sterren en planeten in de geschiedenis van het heelal zijn gevormd uit gas en stof. Dit gas en stof wordt vaak aangetroffen in sterrenstelsels en staat bekend als interstellaire materie (ISM). Interstellaire materie maakt deel uit van de algemene levens- en sterfcyclus van sterren en wordt achtereenvolgens verrijkt met zwaardere elementen.

Op de dichtste plaatsen vindt ster- en planeetvorming (SPF) plaats. Het interstellaire gas bestaat uit atomair waterstof en helium, en bij toenemende dichtheid ook uit moleculen zoals koolstofmonoxide, water en nog veel meer. Het interstellaire stof bestaat uit kleine silicaatdeeltjes ('zand') en koolstofhoudend materiaal ('roet') en vormt het materiaal waaruit uiteindelijk planeten zoals de aarde groeien.

Belangrijke vragen

Het Kapteyn Instituut heeft een sterk profiel ontwikkeld in het onderzoek naar het interstellaire medium en de vorming van sterren en planetenstelsels. Recentelijk is deze onderzoekslijn uitgebreid naar planeetvorming en evolutie, en maanvorming en bewoonbaarheid; hot topics dankzij de ontdekking van duizenden exoplanetaire systemen in de afgelopen decennia. Enkele van de belangrijkste vragen die het huidige onderzoek bij Kapteyn op dit gebied sturen, zijn:

• Hoe beïnvloeden stofkorrels de chemische samenstelling van interstellaire en circumstellaire materie?
• Wat is de oorsprong van de diversiteit aan stermassa's?
• Hoe beïnvloeden jonge sterren hun omgeving en toekomstige stervorming?
• Wat is de organische en waterinhoud van planeetvormende schijven?
• Hoe zijn de samenstellingen van planeetvormende schijven verbonden met die van waargenomen exoplaneten en mogelijk manen?
• Welke processen bepalen de aanvoer van water en organisch materiaal van schijven naar planeten?
• Hoe differentiëren protoplaneten zich in kern, mantel en atmosfeer tijdens de groei van planeten?
• Hoe stollen aardse planeten en vormen ze hun langlevende atmosferen?
• Welke processen bepalen de structuur en samenstelling van aardse planeten en exoplaneten?
• Welke exoplaneten/exomanen zijn bewoonbaar en hoe kunnen we die bestuderen?

Projecten

Enkele projecten, programma's en instrumenten waar deze onderzoeksgroep bij betrokken is, zijn:

• Fysica en chemie van de ISM in onze Melkweg en nabije sterrenstelsels, met behulp van Herschel, ALMA, NOEMA en JWST.
• ALMA- en JWST-studies naar de chemie van planeetvormende schijven.
• Fysische structuur van stervormingsgebieden met hoge massa
• Fysische en chemische structuur van dichte, warme planeetvormende gebieden
• Chemische processen in de ruimte onderzocht door laboratoriumexperimenten met het Zernike Institute for Advanced Materials
• Cycling van vluchtige elementen tussen inwendige en atmosferische reservoirs op lava-exoplaneten.
• Tectonische en atmosferische evolutie van terrestrische exoplaneten met ultrakorte perioden
• Chemische samenstelling van exoplaneetatmosferen (JWST, ARIEL, LIFE)

De wetenschappelijke vragen, die ook nauw verbonden zijn met die van het Nederlandse ORIGINS centrum, zijn:

• Wat zijn de belangrijkste fysische en chemische processen die de demografie van aardse exoplaneten vormgeven?
• Wat is de diversiteit van prebiotische, secundaire atmosferen op aardse planeten?
• Hoe vaak komen moderne aardachtige klimaat- en oppervlaktetoestanden voor op aardse exoplaneten?
• Hoe verraden planeetatmosferen evolutionaire processen op de planeten zelf?

Leidende rol

Kapteynmedewerkers spelen een leidende rol in het waarnemingsprogramma van de onlangs gelanceerde James Webb ruimtetelescoop van NASA, in de lopende ALMA-ontwikkelingsinspanningen, in APEX/SEPIA, het ELT-METIS instrument, en in de definitie van de Large Interferometer for Exoplanets (LIFE) ruimtemissie. Ze nemen ook deel aan de Ariel- en PLATO-missies.

Wetenschappelijk medewerkers

Wetenschappelijk medewerkers op dit gebied zijn: Baryshev, Kamp, Lichtenberg, Shipman, van der Tak, Changeat.