Eerste gedetailleerde kaart van ijs in planeetvormende schijf

Gepubliceerd op 06 december 2023

Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van Ardjan Sturm van de Sterrewacht heeft voor het eerst een tweedimensionale inventaris gemaakt van ijs in een planeetvormende schijf van stof en gas rond een jonge ster. Ze deden dat met de James Webb-ruimtetelescoop. De onderzoekers, onder wie ook Melissa McClure van de Sterrewacht, publiceren hun bevindingen op 6 december in het vakblad Astronomy & Astrophysics.

IJs is belangrijk voor de vorming van planeten en kometen. Dankzij ijs klonteren stofdeeltjes aan elkaar tot grotere brokken waaruit planeten en kometen ontstaan. Daarnaast hebben inslagen van ijshoudende kometen waarschijnlijk bijgedragen aan de hoeveelheid water op aarde, waardoor haar zeeën gevormd zijn. Het ijs bevat ook de voor leven belangrijke atomen koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof. IJs in planeetvormende schijven was echter nog nooit in detail in kaart gebracht. Dat komt doordat telescopen op aarde gehinderd worden door onze waterhoudende atmosfeer en omdat andere ruimtetelescopen niet groot genoeg waren om zulke zwakke objecten te detecteren. De James Webb-ruimtetelescoop lost deze problemen op.

Samengestelde afbeelding van het gebied rond de protoplanetaire schijf HH 48 NE. Het verstrooide licht op de schijf is rood. Het gas van een wind boven de schijf is groen. De straalstroom is blauw. (c) HST, JWST, Sturm et al.

Hamburger

De onderzoekers bestudeerden het sterlicht van de jonge ster HH 48 NE dat via zijn planeetvormende schijf op de ruimtetelescoop valt. De ster en schijf bevinden zich op zo'n 600 lichtjaar van de aarde in het zuidelijke sterrenbeeld Kameleon. De schijf ziet eruit als een hamburger, met twee heldere vlakken en een donkere balk, omdat we er vanaf de zijkant tegenaan kijken. Het sterlicht komt op zijn weg naar de telescoop veel moleculen van de schijf tegen. Daardoor ontstaan absorptiespectra met pieken die specifiek zijn voor elk molecuul. Het nadeel is dat er weinig licht op de telescoop terechtkomt, vooral van het dichtste stuk van de schijf in de donkere balk. Maar omdat de James Webb-ruimtetelescoop gevoeliger is dan alle andere telescopen vormt het geringe licht geen probleem.

De onderzoekers zagen in de absorptiespectra duidelijke pieken van waterijs (H₂O), kooldioxide-ijs (CO₂) en koolmonoxide-ijs (CO). Verder vonden ze aanwijzingen voor ijs van ammoniak (NH₃), cyanaat (OCN^-) , carbonylsulfide (OCS) en zwaar kooldioxide (¹³CO₂). Met de verhouding tussen gewoon kooldioxide en zwaar kooldioxide konden de onderzoekers voor de eerste keer berekenen hoeveel kooldioxide er in de schijf aanwezig is. Een van de interessante uitkomsten van het onderzoek is dat het koolmonoxide-ijs gemixt kan zijn met het minder vluchtige water- en kooldioxide-ijs, wat betekent dat het bevroren kan blijven in een groter gedeelte van de schijf.

Ice Age

‘Het in kaart brengen van ijs in een planeetvormende schijf geeft belangrijke input voor theoretische studies naar de vorming van onze aarde, andere planeten in ons zonnestelsel en rond andere sterren. Met deze observaties kunnen we nu hardere uitspraken gaan doen over de natuurkunde en de scheikunde van de vorming van sterren en planeten,’ zegt de leider van dit onderzoek Ardjan Sturm (Universiteit Leiden).

Het onderzoek van Sturm et al. in een oogopslag. Linksboven het onderzochte gebied. Rechtsboven details over het waargenomen licht en het waterijs. Onderaan een spectrum waarop pieken en dalen te zien zijn die veroorzaakt worden door diverse moleculen. (c) Sturm et al.

‘In 2016 bedachten we het onderzoeksprogramma Ice Age voor de James Webb-ruimtetelescoop. We wilden met Ice Age bestuderen hoe de ijsvormige bouwstenen van het leven evolueren tijdens hun reis vanaf de koude interstellaire wolken naar komeetvormende delen van jonge planetenstelsels. Nu komen de resultaten binnen. Dat is echt cool,’ zegt co-auteur Melissa McClure (Universiteit Leiden). Zij leidt het onderzoeksprogramma en publiceerde in januari 2023 de eerste Ice Age-ijswaarnemingen in moleculaire wolken.

De onderzoekers gaan in de nabije toekomst uitgebreidere spectra van dezelfde planeetvormende schijf bestuderen. Daarnaast kunnen ze nu naar andere planeetvormende schijven kijken. Als het koolmonoxide-ijs inderdaad gemixt is met water- en kooldioxide-ijs, kan dit het huidige beeld van de samenstelling van planeten veranderen. Uiteindelijk willen de onderzoekers zo meer te weten komen over de vorming en resulterende samenstelling van planeten, planetoïden en kometen.

Dit artikel verscheen als persbericht op de website van de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA).

Beeld 1: HST, JWST, Sturm et al. [hoge resolutie]
Beeld 2: Sturm et al. [hoge resolutie]

• james webb-ruimtetelescoop
• planeetvorming