Twee teams van astronomen die met ALMA werken, hebben onafhankelijk van elkaar, overtuigend bewijs gevonden dat er om de jonge ster HD 163296 drie planeten-in-wording cirkelen. Met behulp van een nieuwe planeetopsporingstechniek hebben de astronomen drie verstoringen in de gasrijke schijf rond de ster opgespoord: het sterkste bewijs tot nu toe dat zich daar planeten bevinden. Ze worden beschouwd als de eerste planeten die met ALMA zijn ontdekt. De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) heeft een omwenteling veroorzaakt in ons begrip van protoplanetaire schijven – de met gas en stof gevulde ‘planeetfabrieken’ rond jonge sterren.
De ringen en openingen in deze schijven vormen het intrigerende indirecte bewijs dat zich daar protoplaneten bevinden [1]. Maar ook andere verschijnselen zouden deze kenmerken kunnen verklaren. Met behulp van een nieuwe planeetopsporingstechniek, waarmee ongewone patronen in de gasstroom binnen een planeetvormende schijf rond een jonge ster kunnen worden ontdekt, hebben twee teams van astronomen nu de onmiskenbare kenmerken van pas gevormde planeten vastgelegd [2]. ‘Het meten van de gasstroom binnen een protoplanetaire schijf geeft ons veel meer zekerheid dat er planeten rond een jonge ster aanwezig zijn’, zegt Christophe Pinte van Monash University in Australië en het Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (Université de Grenoble-Alpes/CNRS) in Frankrijk, tevens hoofdauteur van een van beide onderzoeksartikelen. ‘Deze techniek biedt nieuwe, veelbelovende mogelijkheden om inzicht te krijgen in het ontstaan van planetenstelsels.’
Voor hun respectievelijke ontdekkingen hebben de twee teams ALMA-waarnemingen geanalyseerd van HD 163296, een jonge ster in het sterrenbeeld Sagittarius (Boogschutter), op ongeveer 330 lichtjaar van de aarde [3]. Deze ster heeft ongeveer tweemaal zoveel massa als de zon, maar is slechts vier miljoen jaar oud – minder dan een duizendste van de leeftijd van de zon. ‘We hebben gekeken naar lokale, kleinschalige bewegingen van het gas in de protoplanetaire schijf van de ster. Met deze geheel nieuwe aanpak zouden we enkele van de jongste planeten in ons Melkwegstelsel kunnen ontdekken, allemaal dankzij de hoge-resolutiebeelden van ALMA,’ zegt Richard Teague, astronoom aan de Universiteit van Michigan (VS) en hoofdauteur van het andere artikel.
In plaats van zich te concentreren op het stof in de schijf, dat duidelijk is vastgelegd bij eerdere ALMA-waarnemingen, onderzochten de astronomen de verdeling van koolstofmonoxide (CO) in de schijf. CO-moleculen zenden zeer karakteristieke millimeterstraling uit die ALMA heel gedetailleerd kan waarnemen. Subtiele veranderingen in de golflengte van deze straling, die het gevolg zijn van het dopplereffect, verraden de bewegingen van het gas in de schijf. Het team onder leiding van Teague vond twee planeten op ongeveer 12 miljard en 21 miljard kilometer van de ster. De derde planeet, op ongeveer 39 miljard kilometer van de ster, werd opgespoord door het team van Pinte [4]. De twee teams gebruikten varianten van dezelfde techniek, die erop is gericht om afwijkingen in de stroming van het gas te herkennen, die tot uiting komen in verschuivingen in de golflengten van de CO-emissie. Zulke verstoringen geven aan dat het gas onder invloed staat van een massarijk object [5].
De door Teague gebruikte techniek, waarmee variaties in de gasstroom van slechts een paar procent konden worden afgeleid, onthulde de invloed van meerdere planeten op de gasbewegingen dichter bij de ster. De door Pinte toegepaste techniek, die de stroom van het gas directer meet, is meer geschikt om het buitenste deel van de schijf te onderzoeken. Deze beperkt zich tot afwijkingen in de gasstroom van meer dan ongeveer 10%, maar stelde de auteurs wel in staat om de derde planeet nauwkeuriger te lokaliseren. In beide gevallen spoorden de onderzoekers gebieden op waar de stroming van het gas afweek van de omgeving – ongeveer zoals bij de draaikolken rond een steen in een rivier. Door deze beweging nauwkeurig te analyseren, konden ze duidelijk de invloed van planeetachtige objecten zien die qua massa op Jupiter lijken.
Met deze nieuwe techniek kunnen astronomen nauwkeurigere schattingen maken van protoplanetaire massa’s en is de kans op foutpositieve ontdekkingen kleiner. ‘We brengen ALMA nu naar het front van de planetenjacht,’ zegt medeauteur Ted Bergin van de Universiteit van Michigan. Beide teams zullen deze methode verder verfijnen en deze gaan toepassen op andere schijven. Daarbij hopen ze meer te weten te komen over de manier waarop atmosferen ontstaan en over de soorten elementen en moleculen die een planeet bij zijn geboorte meekrijgt.
Noten
[1] Hoewel er de afgelopen twintig jaar duizenden exoplaneten zijn ontdekt, is de detectie van protoplaneten nog steeds heel moeilijk: tot nu toe bestonden er nog geen ondubbelzinnige waarnemingen. De technieken die momenteel worden gebruikt voor het opsporen van exoplaneten in volledig ontwikkelde planetenstelsels, zoals het meten van de schommeling van een ster of het verzwakken van sterlicht ten gevolge van een planeetovergang, lenen zich niet voor het detecteren van protoplaneten.
[2] Het gas rond een ster zonder planeten beweegt op een heel eenvoudige, voorspelbare manier: het volgt keplerbanen die zich bijna niet zowel coherent als lokaal laten verstoren. Alleen de aanwezigheid van een relatief massarijk object kan zulke verstoringen veroorzaken.
[3] De verbluffende beelden die ALMA van HD 163296 en vergelijkbare stelsels heeft gemaakt, laten zien dat protoplanetaire schijven intrigerende patronen van concentrische ringen en openingen kunnen vertonen. Zulke leemten kunnen erop wijzen dat protoplaneten bezig zijn om zich een weg te banen door het stof en gas in de schijf en dit deels in hun eigen atmosfeer op te nemen. Een eerder onderzoek van de schijf van deze specifieke ster heeft laten zien dat de openingen in het stof en gas elkaar overlappen, wat erop wijst dat zich hier minstens twee planeten hebben gevormd. Deze eerste waarnemingen gelden echter slechts als indirect bewijs en konden niet worden gebruikt om een nauwkeurige schatting te maken van de massa's van de planeten.
[4] Deze komen overeen met 80, 140 en 260 maal de afstand zon-aarde.
[5] Deze techniek is vergelijkbaar met die waarmee in de negentiende eeuw de planeet Neptunus is ontdekt. In dat geval werden afwijkingen in de beweging van de planeet Uranus teruggevoerd op de zwaartekrachtswerking van een onbekend hemellichaam, dat vervolgens in 1846 visueel werd ontdekt en de achtste planeet van ons zonnestelsel bleek te zijn.
Wat zijn ESO en ALMA?
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. 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 specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO speelt ook een belangrijke partnerrol bij ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, in samenwerking met de Republiek Chili. ALMA wordt gefinancierd door ESO (namens haar lidstaten), door de NSF in samenwerking met de National Research Council of Canada (NRC) en de National Science Council of Taiwan (NSC), en door NINS in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). De bouw en het beheer van ALMA worden geleid door ESO (namens haar lidstaten); door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat namens Noord-Amerika wordt bestuurd door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).
