Astronomen gebruikten NASA's James Webb Space Telescope om het warme stof rond een nabijgelegen jonge ster, Fomalhaut, in beeld te brengen en zo de eerste asteroïdengordel die ooit buiten ons zonnestelsel is gezien in infrarood licht te bestuderen. Maar tot hun verrassing zijn de stofstructuren veel complexer dan de asteroïden- en Kuipergordels van ons zonnestelsel.
In totaal zijn er drie geneste gordels die zich uitstrekken tot 23 miljard kilometer van de ster; dat is 150 keer de afstand van de aarde tot de zon. De omvang van de buitenste gordel is ongeveer twee keer zo groot als de Kuipergordel van ons zonnestelsel, met kleine lichamen en koud stof voorbij Neptunus. De binnenste gordels, die nooit eerder waren gezien, werden door Webb voor het eerst onthuld.
De gordels omcirkelen de jonge hete ster, die met het blote oog te zien is als de helderste ster in het zuidelijke sterrenbeeld Piscis Austrinus. De stofgordels zijn het puin van botsingen van grotere lichamen, analoog aan asteroïden en kometen, en worden vaak omschreven als 'puinschijven'. "Ik zou Fomalhaut omschrijven als het archetype van puinschijven die elders in ons melkwegstelsel voorkomen, omdat het componenten heeft die lijken op die in ons eigen planetenstelsel," aldus András Gáspár van de Universiteit van Arizona in Tucson en hoofdauteur van een nieuwe paper waarin deze resultaten worden beschreven. "Door naar de patronen in deze ringen te kijken, kunnen we eigenlijk een kleine schets maken van hoe een planetenstelsel eruit zou moeten zien - als we daadwerkelijk een foto diep genoeg zouden kunnen maken om de vermoedelijke planeten te zien."
De Hubble Space Telescope en Herschel Space Observatory, evenals de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), hebben eerder scherpe beelden gemaakt van de buitenste gordel. Geen van hen vond echter enige structuur binnenin. De binnenste gordels zijn voor het eerst door Webb opgelost in infrarood licht. "Waar Webb echt in uitblinkt, is dat we de thermische gloed van stof in die binnenste regio's fysiek kunnen oplossen. Je kunt dus binnenste gordels zien die we nooit eerder konden zien", aldus Schuyler Wolff, een ander lid van het team van de Universiteit van Arizona.
Hubble, ALMA en Webb werken samen om een totaalbeeld te krijgen van de brokstukken rond een aantal sterren. "Met Hubble en ALMA konden we een aantal Kuipergordelanalogen in beeld brengen en hebben we veel geleerd over hoe buitenschijven zich vormen en ontwikkelen", aldus Wolff. "Maar Webb moet ons in staat stellen een tiental asteroïdengordels elders in beeld te brengen. We kunnen evenveel leren over de binnenste warme gebieden van deze schijven als Hubble en ALMA ons hebben geleerd over de koudere buitenste gebieden."
Deze gordels zijn waarschijnlijk gevormd door de zwaartekracht van onzichtbare planeten. Op dezelfde manier houdt Jupiter in ons zonnestelsel de asteroïdengordel in bedwang, wordt de binnenrand van de Kuipergordel gevormd door Neptunus en wordt de buitenrand mogelijk geleid door nog niet eerder geziene hemellichamen. Naarmate Webb meer stelsels in beeld brengt, zullen we meer te weten komen over de configuraties van hun planeten.
De stofring van Fomalhaut werd in 1983 ontdekt tijdens waarnemingen van NASA's infrarood astronomische satelliet (IRAS). Het bestaan van de ring is ook afgeleid uit eerdere waarnemingen op grotere golflengte met submillimetertelescopen op Mauna Kea, Hawaï, NASA's Spitzer Space Telescope en Caltech's Submillimeter Observatory.
"De gordels rond Fomalhaut zijn een soort mysterie: Waar zijn de planeten?" zei George Rieke, een ander teamlid en Amerikaans wetenschappelijk hoofd voor Webb's Mid-Infrarood Instrument (MIRI), dat deze waarnemingen deed. "Ik denk dat het geen grote sprong is om te zeggen dat er waarschijnlijk een heel interessant planetenstelsel rond de ster is."
"We hadden de complexere structuur met de tweede tussenliggende gordel en vervolgens de bredere asteroïdengordel absoluut niet verwacht," voegde Wolff eraan toe. "Die structuur is heel spannend, want elke keer als een astronoom een gat en ringen in een schijf ziet, zeggen ze: 'Er zou een planeet in kunnen zitten die de ringen vormgeeft!'"
Webb heeft ook in beeld gebracht wat Gáspár "de grote stofwolk" noemt, wat het bewijs kan zijn van een botsing in de buitenste ring tussen twee protoplanetaire lichamen. Dit is iets anders dan een vermoedelijke planeet die Hubble in 2008 voor het eerst in de buitenste ring zag. Uit latere Hubble-waarnemingen bleek dat het object in 2014 was verdwenen. Een plausibele interpretatie is dat dit nieuwe kenmerk, net als het eerdere, een uitdijende wolk is van zeer fijne stofdeeltjes van twee ijzige lichamen die op elkaar zijn gebotst.
Het idee van een protoplanetaire schijf rond een ster gaat terug tot de late jaren 1700, toen de astronomen Immanuel Kant en Pierre-Simon Laplace onafhankelijk van elkaar de theorie ontwikkelden dat de zon en de planeten zijn ontstaan uit een roterende gaswolk die door de zwaartekracht ineenstortte en afplatte. Puinschijven ontstaan later, na de vorming van planeten en de verspreiding van het oergas in de stelsels. Zij laten zien dat kleine lichamen zoals asteroïden catastrofaal op elkaar botsen en hun oppervlak verpulveren tot enorme wolken van stof en ander puin. Waarnemingen van hun stof leveren unieke aanwijzingen op voor de structuur van een exoplanetair systeem, tot aan planeten ter grootte van de aarde en zelfs asteroïden, die veel te klein zijn om afzonderlijk te zien.
De resultaten van het team worden gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy.
De James Webb Space Telescope is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. De Fomalhaut-waarnemingen maakten gebruik van het Mid-Infrarood Instrument (MIRI), dat is ingebracht door NASA en ESA (European Space Agency). Het instrument is ontworpen en gebouwd door een consortium van nationaal gefinancierde Europese instituten (het MIRI European Consortium) en NASA's Jet Propulsion Laboratory, in samenwerking met de Universiteit van Arizona. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren en de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin onderzoeken. Webb is een internationaal programma dat wordt geleid door NASA met zijn partners, ESA en het Canadese ruimteagentschap.
Bron: NASA
