We leven in een volwassen zonnestelsel - acht planeten en verschillende dwergplaneten (zoals Pluto) hebben zich gevormd, de laatste in het met rotsen en puin gevulde gebied dat bekend staat als de Kuipergordel. Als we de tijd konden terugdraaien, wat zouden we zien als ons zonnestelsel gevormd? Hoewel we deze vraag niet direct kunnen beantwoorden, onderzoekers kunnen andere systemen bestuderen die zich actief vormen - samen met de mix van gas en stof die hun nog steeds vormende sterren omcirkelt - om meer te weten te komen over dit proces.

Een team onder leiding van Dr. Thomas Henning van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland, zal NASA's aankomende James Webb Space Telescope gebruiken om meer dan 50 planeetvormende schijven in verschillende groeistadia te onderzoeken om te bepalen welke moleculen aanwezig zijn en idealiter overeenkomsten te lokaliseren, helpen vorm te geven aan wat we weten over hoe zonnestelsels in elkaar zitten.

Hun onderzoek met Webb zal zich specifiek richten op de binnenschijven van relatief nabije, vormende systemen. Hoewel informatie over deze regio's is verkregen door eerdere telescopen, geen enkele komt overeen met Webb's gevoeligheid, wat betekent dat er voor het eerst veel meer details zullen binnenstromen. Plus, Webb's locatie in de ruimte op ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de aarde zal het een onbelemmerd zicht op zijn doelen geven. "Webb zal unieke gegevens verstrekken die we op geen enkele andere manier kunnen krijgen, "Zei Inga Kamp van het Kapteyn Astronomisch Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland. "De waarnemingen zullen moleculaire inventarisaties opleveren van de binnenschijven van deze zonnestelsels."

Dit onderzoeksprogramma zal voornamelijk data verzamelen in de vorm van spectra. Spectra zijn als regenbogen - ze verspreiden licht in de samenstellende golflengten om informatie met hoge resolutie over de temperaturen te onthullen, snelheden, en samenstellingen van gas en stof. Met deze ongelooflijk rijke informatie kunnen de onderzoekers veel gedetailleerdere modellen maken van wat er in de binnenschijven aanwezig is - en waar. "Als je een model toepast op deze spectra, je kunt achterhalen waar moleculen zich bevinden en wat hun temperaturen zijn, ’ legde Henning uit.

Deze waarnemingen zullen ongelooflijk waardevol zijn om de onderzoekers te helpen overeenkomsten en verschillen tussen deze planeetvormende schijven op te sporen, die ook wel protoplanetaire schijven worden genoemd. "Wat kunnen we leren van spectroscopie dat we niet kunnen leren van beeldvorming? Alles!" riep Ewine van Dishoeck van de Universiteit Leiden uit. "Eén spectrum is duizend beelden waard."

Een "berg" van nieuwe gegevens

Onderzoekers hebben lang protoplanetaire schijven bestudeerd in verschillende golflengten van licht, van radio tot nabij-infrarood. Sommige van de bestaande gegevens van het team zijn afkomstig van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili, die radiolicht verzamelt. ALMA blinkt uit in het maken van afbeeldingen van de buitenste schijven. Als je de spanwijdte van hun buitenste schijven zou vergelijken met de grootte van ons zonnestelsel, dit gebied is voorbij de baan van Saturnus. De gegevens van Webb maken het plaatje compleet door onderzoekers te helpen bij het modelleren van de binnenschijven.

Er bestaan ​​al gegevens over deze binnenschijven - de gepensioneerde Spitzer-ruimtetelescoop van NASA diende als een padvinder - maar de gevoeligheid en resolutie van Webb zijn vereist om de precieze hoeveelheden van elk molecuul te identificeren, evenals de elementaire samenstellingen van het gas met zijn gegevens, spectra genoemd. "Wat vroeger een zeer wazige piek in het spectrum was, zal bestaan ​​uit honderden, zo niet duizenden gedetailleerde spectraallijnen, ', aldus Van Dishoeck.

De specialiteit van Webb in midden-infrarood licht is bijzonder belangrijk. Het stelt onderzoekers in staat om de "vingerafdrukken" van moleculen zoals water, kooldioxide, methaan, en ammoniak - die niet kan worden geïdentificeerd met andere bestaande instrumenten. Het observatorium zal ook bepalen hoe sterrenlicht de chemie en fysieke structuren van de schijven beïnvloedt.

Protoplanetaire schijven zijn complexe systemen. Zoals ze zich vormen, hun mengsel van gas en stof wordt in ringen over het systeem verdeeld. Hun materialen reizen van de buitenste schijf naar de binnenste schijf, maar hoe? "Het binnenste gedeelte van de schijf is een zeer dynamische plaats, " legt Tom Ray van het Dublin Institute for Advanced Studies in Ierland uit. "Het is niet alleen waar aardse planeten worden gevormd, maar het is ook waar supersonische jets worden gelanceerd door de ster."

Stralen die door de ster worden uitgezonden, leiden tot een vermenging van elementen in de binnenste en buitenste schijven, zowel door deeltjes uit te zenden als door andere deeltjes naar binnen te laten bewegen. "We denken dat als materiaal vertrekt, het verliest zijn draai, of impulsmoment, en dat hierdoor ander materiaal naar binnen kan bewegen, Ray vervolgde. "Deze uitwisselingen van materiaal zullen duidelijk de chemie van de binnenste schijf beïnvloeden, die we graag willen verkennen met Webb."

Er wachten spannende inzichten

PDS 70 is verder op 370 lichtjaar afstand. Het heeft ook een grote opening in de binnenring, plus gegevens hebben onthuld dat twee planeten vormen, bekend als protoplaneten, aanwezig zijn en materiaal verzamelen. "De mid-infraroodmetingen van Webb zullen ons helpen te verfijnen wat we over hen weten, evenals het materiaal om hen heen, ’ legde Kamp uit.

Met tientallen doelen op hun lijst, het is moeilijk voor teamleden om favorieten te spelen. "Ik hou van ze allemaal, Henning zei. "Een vraag die ik zou willen beantwoorden betreft het verband tussen de samenstelling van planeetvormende schijven en de planeten zelf. Met Webb, we zullen veel meer details bekijken over welke soorten materiaal beschikbaar zijn voor een potentiële planeet om aan te groeien."

Na het verfijnen van de gegevens, zijn team zal de discrete datapunten toepassen op modellen. "Hierdoor kunnen we een grafische reconstructie van deze systemen doen, " vervolgde hij. Deze modellen zullen worden gedeeld met de astronomische gemeenschap, andere wetenschappers in staat stellen de gegevens te onderzoeken, en hun eigen projecties maken of nieuwe bevindingen opdoen. Deze onderzoeken zullen worden uitgevoerd via een programma met gegarandeerde tijdwaarnemingen (GTO).