Sterrenkundigen zien voor het eerst benzeen in planeetvormende schijf rond ster

Een internationaal team van sterrenkundigen met daarbij diverse Nederlandse onderzoekers waaronder Inga Kamp en Aditya Arabhavi van het Kapteyn Astronomical Institute, heeft voor het eerst het gas benzeen (C6H6) waargenomen in een planeetvormende schijf rond een jonge ster. Naast benzeen zagen ze veel andere, kleinere koolstofverbindingen en weinig zuurstofrijke moleculen. De waarnemingen duiden erop dat de planeten die in deze schijf ontstaan, net als onze aarde, relatief weinig koolstof bevatten. De wetenschappers publiceerden hun bevindingen op 11 mei in het vakblad Nature Astronomy.

De onderzoekers bestudeerden de jonge, lichte ster J160532 (een tiende van de massa van de zon) op zo'n 500 lichtjaar van ons vandaan in de richting van het sterrenbeeld Schorpioen. Rond zulke jonge kleine sterren ontstaan veel rotsachtige planeten die lijken op de aarde. Tot nu toe was het lastig om moleculen in het warme binnendeel van stofschijven rond jonge kleine sterren te bestuderen, omdat eerdere generaties telescopen niet de gevoeligheid en spectrale resolutie hadden

Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers gegevens van de MIRI-spectrometer van de James Webb-ruimtetelescoop. MIRI kan dwars door stofwolken heen kijken en meet met name het warme gas. De hoofdoptiek van de MIRI-spectrometer is ontworpen en gebouwd door de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA).

"Dit is precies het soort wetenschap waarvoor de MIRI-spectrometer is ontworpen," zegt Ewine van Dishoeck (Universiteit Leiden), die vanaf het begin bij de bouw van Webb en het MIRI-instrument betrokken is. "De spectra bevatten een schat aan gegevens die ons iets vertellen over de chemische en fysische samenstelling van de planeetvormende schijven."

Veel koolstofgas, weinig zuurstof
Naast de eerste waarneming ooit van benzeen in een planeetvormende schijf zagen de onderzoekers ook voor het eerst de koolwaterstof diacetyleen (C4H2) Verder bevat de schijf een buitengewoon grote hoeveelheid acetyleengas (C2H2). Dat is een zeer reactieve koolwaterstof. Opvallend was dat zich weinig water en kooldioxide in de schijf bevindt. Die verbindingen worden wel vaak in andere planeetvormende schijven rond zonachtige gevonden. Om deze gassen te kunnen identificeren was een nauwe samenwerking nodig met chemici die de spectra (de chemische vingerafdrukken) meten in het laboratorium.

De onderzoekers vermoeden dat het benzeen en de (di-)acetyleengassen in de schijf terecht zijn gekomen doordat koolstofrijke stofkorrels vernietigd worden in de buurt van de actieve jonge ster. Daardoor komen de koolstofverbindingen vrij uit het stof. Het gruis dat overblijft, bevat silicaten met relatief weinig koolstof. In een latere fase klontert het koolstofarme gruis samen tot grotere brokken. Dat worden uiteindelijk rotsachtige planeten zoals de aarde. Dit scenario kan ook verklaren waarom onze aarde zo arm is aan koolstof.

Vijftig schijven te gaan
Ondertussen zijn de onderzoekers de gegevens van ruim dertig andere stofschijven rond jonge sterren aan het uitwerken en er komen er nog twintig aan dit jaar. De verwachting is dat ze daarmee andere moleculen ontdekken en meer kennis opdoen over het ontstaan van rotsachtige planeten in schijven rond kleine en grotere sterren, tot twee tot drie keer de massa van de zon.

Hoofdauteur van de studie Benoît Tabone (nu CNRS-onderzoeker aan de Université Paris-Saclay in Frankrijk en eerder verbonden van de Universiteit Leiden) concludeert: "Dit werk is pas een eerste glimp van de fysische en chemische omstandigheden waarin aardachtige planeten zoals onze aarde worden gevormd." Coauteur Aditya Arabhavi, promovendus aan de Rijksuniversiteit Groningen, voegt daar nog aan toe: "Er zullen nog veel meer moleculen worden ontdekt, hetzij in de schijf van J160532 of in andere schijven. Webb is een ‘speeltuin’, niet alleen voor astronomen, maar ook voor experts in de moleculaire fysica."

MINDS (MIRI mid-INfrared Disk Survey)
Het onderzoek vond plaats binnen het JWST Guaranteed Time Observation (GTO) program MINDS. Het programma wordt mede geleid door Inga Kamp (RUG). Astronomen uit Groningen, Leiden en Nijmegen maken deel uit van het team.

Wetenschappelijke artikel
A rich hydrocarbon chemistry and high C to O ratio in the inner disk around a very low-mass star. Door: B. Tabone et al. In: Nature Astronomy, 11 mei 2023. [origineel | preprint]

Bron: NOVA