Een nieuwe, nog in aanbouw zijnde sterrenwacht heeft voor een grote doorbraak gezorgd in het onderzoek van een nabij planetenstelsel, en belangrijke aanwijzingen opgeleverd over de manier waarop zulke stelsels ontstaan en evolueren. Astronomen die gebruik maken van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hebben ontdekt dat de planeten die om de ster Fomalhaut cirkelen veel kleiner moeten zijn dan oorspronkelijk werd gedacht.
Dit is het eerste gepubliceerde wetenschappelijke resultaat van ALMA in de eerste periode dat astronomen van overal ter wereld hem voor waarnemingen kunnen gebruiken. De ontdekking is te danken aan buitengewoon scherpe ALMA-opnamen van de schijf of ring van stof rond Fomalhaut, die op ongeveer 25 lichtjaar van de aarde staat. Deze opnamen helpen een discussie tussen eerdere waarnemers van het stelsel beslechten. De ALMA-opnamen tonen aan dat zowel de binnen- als de buitenrand van de dunne stofschijf heel scherp is. In combinatie met computersimulaties brengt dit astronomen tot de conclusie dat de stofdeeltjes binnen de schijf worden gehouden door de zwaartekrachtswerking van twee planeten – een die zich dichter bij de ster bevindt dan de schijf en een daarbuiten (1).
Hun berekeningen geven ook een indicatie van de waarschijnlijke grootte van de beide planeten: groter dan Mars, maar niet groter dan een paar keer de aarde. Dat is veel kleiner dan astronomen voorheen dachten. In 2008 gaf een opname van de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA de indruk dat de binnenste planeet groter was dan Saturnus, de op een na grootste planeet van ons zonnestelsel. Maar bij latere waarnemingen met infraroodtelescopen was de planeet onvindbaar.
Dat laatste bracht sommige astronomen aan het twijfelen over het bestaan van de planeet op de Hubble-foto. Het was ook denkbaar dat de opname van de ruimtetelescoop kleine stofdeeltjes toonde die door de straling van de ster naar buiten waren geduwd en daarbij de structuur van de stofschijf vervaagden. De ALMA-waarnemingen, op golflengten die langer zijn dan die van zichtbaar licht, brengen grotere stofdeeltjes in beeld – met afmetingen van een millimeter – die niet gevoelig zijn voor de stralingsdruk van de ster. Ze laten duidelijk zien dat de schijf scherpe randen heeft en sterk op een ring lijkt. Dat wijst erop dat hier twee planeten aan het werk zijn.
‘Met de combinatie van de ALMA-waarnemingen van de vorm van de ring en computermodellen kunnen we strikte grenzen opleggen aan massa en baan van planeten in de buurt van de ring,’ zegt Aaron Boley (Sagan Fellow aan de Universiteit van Florida, VS), die het onderzoek heeft geleid. ‘De massa’s van deze planeten moeten gering zijn, omdat anders de planeten de ring zouden verwoesten,’ voegt hij daaraan toe. Hun kleine afmetingen verklaren waarom de planeten bij eerdere infraroodwaarnemingen niet te zien waren, aldus de onderzoekers.
Het ALMA-onderzoek laat zien dat de breedte van de ring ongeveer 16 keer zo groot is als de afstand zon-aarde en ongeveer zeven keer zo dun als breed. ‘De ring is nog smaller en dunner dan eerder gedacht,’ zegt Matthew Payne (ook van de Universiteit van Florida). De afstand van de ring tot Fomalhaut is ongeveer 140 keer de afstand zon-aarde. Ter vergelijking: in ons zonnestelsel is de afstand van Pluto tot de zon ongeveer 40 keer de afstand zon-aarde. ‘Door de kleine afmetingen van de planeten bij deze ring en hun grote afstand tot hun moederster, behoren zij tot de koudste planeten die tot nu toe bij een normale ster zijn opgespoord,’ aldus Boley. De wetenschappers hebben het Fomalhaut-stelsel waargenomen in september en oktober 2011, toen slechts ongeveer een kwart van de 66 geplande ALMA-antennes beschikbaar was. Wanneer volgend jaar de bouw is voltooid, zal de array veel krachtiger zijn. Maar zelfs in deze ‘Early Science’-fase was ALMA in staat om de kenmerkende structuur te tonen die bij eerdere waarnemingen op millimetergolflengten niet aan het licht kwam.
‘ALMA mag dan nog in aanbouw zijn, het is nu al de krachtigste telescoop in zijn soort. Dit is nog maar het begin van een spannende nieuwe fase in het onderzoek van schijven en planeetvorming rond andere sterren,’ besluit ESO-astronoom en teamlid Bill Dent (ALMA, Chili).
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van Europa, Noord-Amerika en Oost-Azië, met steun van de republiek Chili. ALMA wordt in Europa gefinancierd door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), in Noord-Amerika door de National Science Foundation (NSF) van de VS in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en in Oost-Azië door de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan. De bouw en het beheer van ALMA worden namens Europa geleid door ESO, namens Noord-Amerika door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), bestuurd door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).
Noten
(1) De invloed van planeten of manen op het scherp houden van de randen van een stofring is voor het eerst gezien toen de Voyager-ruimtesondes langs Saturnus vlogen en gedetailleerde opnamen maakten van het ringenstelsel van die planeet. Een ring van de planeet Uranus wordt scherp begrensd door de maantjes Cordelia en Ophelia, precies op de manier die de ALMA-waarnemers nu voorstellen voor de ring rond Fomalhaut. Manen die planeetringen insluiten worden ‘herdermanen’ genoemd. Dat insluiten van zo’n stofring gebeurt met de zwaartekracht. Een planeet aan de binnenkant van de ring draait sneller om de ster dan de stofdeeltjes in de ring. Zijn zwaartekracht geeft de deeltjes meer energie, waardoor ze naar buiten worden geduwd. Een planeet aan de buitenkant van de ring beweegt langzamer dan de stofdeeltjes en onttrekt met zijn zwaartekracht energie aan de deeltjes, waardoor ze een stukje naar binnen vallen.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Constraining the Planetary System of Fomalhaut Using High-Resolution ALMA Observations’ van A. Boley et al, dat in Astrophysical Journal Letters zal verschijnen.
Het onderzoeksteam bestaat uit A.C. Boley (Universiteit van Florida, Gainesville, VS), M.J. Payne (Universiteit van Florida), S. Corder (North American ALMA Science Center, Charlottesville, VS), W. Dent (ALMA, Santiago, Chili), E.B. Ford (Universiteit van Florida) en M. Shabram (Universiteit van Florida). Het jaar 2012 staat in het teken van de vijftigste verjaardag van de oprichting van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), een telescoop van de 40-meterklasse die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
