Aardachtige planeten kunnen zelfs ontstaan onder barre omstandigheden

Rotsachtige planeten zoals onze aarde, inclusief planeten met water, zouden zelfs kunnen ontstaan in de meest extreme stervormingsgebieden die we kennen, doordrenkt met harde ultraviolette straling van zware sterren. Astronomen hebben dit ontdekt met waarnemingen van zo’n gebied met de James Webb Space Telescope (JWST). De waarnemingen zijn de eerste in hun soort - eerder was dit niet mogelijk. De resultaten zijn gepubliceerd in Astrophysical Journal Letters. Aan het onderzoek onder leiding van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg (Duitsland) werkten astronomen van de Radboud Universiteit, de Universiteit van Amsterdam en de Rijksuniversiteit Groningen mee, waaronder Inga Kamp van het Kapteyn Astronomical Institute.

Astronomen hebben met het MIRI-instrument op JWST water en koolstofhoudende moleculen ontdekt in een schijf van gas en stof rondom een jonge, zonachtige ster, die zich in een van de meest extreme omgevingen in ons melkwegstelsel bevindt. Het team astronomen onder leiding van María C. Ramírez-Tannus van het Max Planck Instituut heeft met Webb het binnenste gedeelte van de schijf bekeken, waar naar verwachting planeten worden gevormd die op onze aarde lijken: rotsachtig, met een dunne atmosfeer.

De schijf, die de astronomen XUE-1 noemen, staat bloot aan intense ultraviolette straling van nabijgelegen hete, zware sterren. Maar zelfs in deze barre omgeving vonden ze zowel water als eenvoudige organische moleculen. Eerste auteur Ramírez-Tannus: "Dit resultaat is onverwacht en opwindend. Het laat zien dat er gunstige omstandigheden zijn om aardachtige planeten en de ingrediënten voor leven te vormen, zelfs in de meest barre omgevingen in onze Melkweg."

Zware sterren
De nieuwe waarnemingen zijn de eerste in hun soort. Eerdere gedetailleerde waarnemingen van planeetvormende schijven waren beperkt tot nabije stervormingsgebieden die geen zware sterren bevatten. Stervormingsgebieden met zware sterren zijn compleet anders: daar worden talloze sterren op ongeveer hetzelfde moment geboren, waaronder zeldzame, maar zeer zware sterren. Tijdens de ‘gouden eeuw’ van stervorming in het heelal, zo'n 10 miljard jaar geleden, vond de meeste stervorming plaats in zulke clusters. In totaal werd meer dan de helft van alle sterren in ons heelal - inclusief onze eigen zon - geboren in dit soort gebieden, samen met hun planeten. Toch was er nog niets bekend over het effect van zo’n ruige omgeving op de binnenste regio's van schijven, waar aardse planeten worden gevormd.

Zware sterren zijn per definitie erg helder en geven grote hoeveelheden hoogenergetische UV-straling af. Hun aanwezigheid verstoort de omgeving aanzienlijk. Gedacht werd dat die verstoring ertoe zou leiden dat de vorming van aardachtige planeten zeldzaam zou zijn. Maar uitsluitsel kon niet worden verkregen omdat in het huidige heelal stervormingsgebieden met zware sterren zeldzaam zijn en zelfs de dichtstbijzijnde ver weg staan. Tot voor kort was er geen manier om kleine schijven rond zonachtige planeten in detail waar te nemen. De weinige planeetvormende schijven die dichtbij genoeg zijn om in detail waargenomen te worden, bevinden zich allemaal in een rustige omgeving, zonder de intense UV-straling van zware sterren.

Binnenschijven
Ramírez-Tannus en de XUE (eXtreme UV environments)-samenwerking namen de emissienevel NGC 6357 waar, met een afstand van 5500 lichtjaar van de aarde een van de dichtstbijzijnde zware-stervormingsgebieden. NGC 6357 bevat meer dan tien heldere sterren met een hoge massa, wat ervoor zorgt dat sommige van de planeetvormende schijven in het gebied het grootste deel van hun bestaan blootgesteld zijn geweest aan intense UV-straling. De regio bevat een verscheidenheid aan schijven, waarvan sommige aan meer en andere aan minder straling zijn blootgesteld. "Als intense straling de omstandigheden voor planeetvorming in de binnenste regionen van protoplanetaire schijven belemmert, dan is NGC 6357 de plek waar we het effect zouden moeten zien", zegt Arjan Bik van de Universiteit van Stockholm, de co-PI van de XUE-samenwerking en tweede auteur van het artikel.

Tot hun verrassing ontdekten Ramírez-Tannus en haar collega's dat, als het gaat om de aanwezigheid (en eigenschappen) van belangrijke moleculen, ten minste één van de binnenschijven in NGC 6357 niet fundamenteel verschilt van zijn tegenhangers in stervormingsgebieden met lage-massa-sterren.

Moleculen
"We vonden een overvloed aan water, koolmonoxide, kooldioxide, waterstofcyanide en acetyleen in de binnenste regionen van XUE-1", zegt coauteur Rens Waters (Radboud Universiteit. "Dit geeft waardevolle aanwijzingen over de waarschijnlijke samenstelling van de oorspronkelijke atmosfeer van de resulterende aardse planeten." De onderzoekers vonden ook silicaatstof, bouwsteen van rotsachtige planeten, in vergelijkbare hoeveelheden als in stervormingsgebieden met lichte sterren.

De binnenste regionen van protoplanetaire schijven dicht bij zware sterren blijken net zo goed in staat om aardachtige, rotsachtige planeten te vormen als hun tegenhangers met een lage massa. Ze zorgen zelfs voor een overvloed aan water, een noodzakelijk ingrediënt voor het leven zoals wij dat kennen. Of dit zich daadwerkelijk vertaalt in een significant groot aantal aardachtige planeten die in dergelijke omgevingen worden geboren, kunnen de onderzoekers nog niet zeggen door naar een enkele schijf te kijken. “We gaan verder onderzoek doen binnen ons JWST-programma naar nog eens 14 schijven in verschillende delen van NGC 6357”, besluit coauteur Lars Cuijpers (masterstudent aan de Radboud Universiteit).

Bron: astronomie.nl