Astronomen hebben deze maand de grootste verzameling scherpe, gedetailleerde beelden van puinschijven rond jonge sterren, die de grote verscheidenheid aan vormen en maten van stellaire systemen demonstreren tijdens hun eerste planeetvormende jaren. Verrassend genoeg, bijna alle vertoonden bewijs van planeten.

De beelden werden over een periode van vier jaar verkregen door een precisie-instrument, de Gemini Planet Imager (GPI), gemonteerd op de 8-meter Gemini South-telescoop in Chili. De GPI gebruikt een state-of-the-art adaptief optisch systeem om atmosferische onscherpte te verwijderen, het leveren van de scherpste beelden tot nu toe van veel van deze schijven.

Grondgebonden instrumenten zoals GPI, die wordt geüpgraded om soortgelijke waarnemingen uit te voeren in de noordelijke hemel van de Gemini North Telescope in Hawaï, kan een manier zijn om sterren te screenen met vermoedelijke puinschijven om te bepalen welke het waard zijn om te worden gericht door krachtiger, maar duur, telescopen om planeten te vinden, in het bijzonder bewoonbare planeten. Verschillende 20-, telescopen van 30 en 40 meter, zoals de Giant Magellan Telescope en de Extremely Large Telescope, de komende decennia online zullen komen, terwijl de in een baan om de aarde draaiende James Webb Space Telescope naar verwachting in 2021 wordt gelanceerd.

"Het is vaak gemakkelijker om de met stof gevulde schijf te detecteren dan de planeten, dus je detecteert eerst het stof en dan weet je dat je je James Webb-ruimtetelescoop of je Nancy Grace Roman-ruimtetelescoop op die systemen moet richten, het verminderen van het aantal sterren dat je moet doorzoeken om deze planeten te vinden, " zei Tom Esposito, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Esposito is de eerste auteur van een paper waarin de resultaten worden beschreven die op 15 juni verschenen Het astronomische tijdschrift .

Komeetgordels rond andere sterren

De puinschijven in de afbeeldingen zijn het equivalent van de Kuipergordel in ons zonnestelsel, een ijskoud rijk ongeveer 40 keer verder van de zon dan de aarde - voorbij de baan van Neptunus - en vol rotsen, stof en ijs dat nooit deel is gaan uitmaken van een planeet in ons zonnestelsel. Kometen uit de gordel - ballen van ijs en steen - vegen periodiek door het binnenste zonnestelsel, af en toe verwoesting aanrichten op aarde, maar ook het leveren van levensgerelateerde materialen zoals water, koolstof en zuurstof.

Van de 26 afbeeldingen van puinschijven die zijn verkregen door de Gemini Planet Imager (GPI), 25 had "gaten" rond de centrale ster die waarschijnlijk zijn gecreëerd door planeten die rotsen en stof opvegen. Zeven van de 26 waren voorheen onbekend; eerdere afbeeldingen van de andere 19 waren niet zo scherp als die van GPI en hadden vaak niet de resolutie om een ​​binnenste gat te detecteren. Het onderzoek verdubbelt het aantal puinschijven dat met zo'n hoge resolutie is afgebeeld.

"Een van de dingen die we ontdekten, is dat deze zogenaamde schijven in werkelijkheid ringen zijn met innerlijke openingen, " zei Esposito, die ook onderzoeker is aan het SETI Institute in Mountain View, Californië. "GPI had een duidelijk zicht op de binnenste gebieden dicht bij de ster, overwegende dat in het verleden waarnemingen door de Hubble-ruimtetelescoop en oudere instrumenten vanaf de grond konden niet dicht genoeg bij de ster kijken om het gat eromheen te zien."

De GPI bevat een coronagraaf die het licht van de ster blokkeert, waardoor het zo dicht als een astronomische eenheid (AU) van de ster kan zien, of de afstand van de aarde tot onze zon:93 miljoen mijl.

De GPI richtte zich op 104 sterren die ongewoon helder waren in infrarood licht, wat aangeeft dat ze waren omgeven door puin dat het licht van de ster weerkaatste of opgewarmd werd door de ster. Het instrument registreerde gepolariseerd nabij-infrarood licht verstrooid door kleine stofdeeltjes, ongeveer een duizendste van een millimeter (1 micron) groot, waarschijnlijk het resultaat van botsingen tussen grotere rotsen in een puinschijf.

"Er is geen systematisch onderzoek gedaan naar jonge puinschijven van bijna deze grote, kijken met hetzelfde instrument, dezelfde observatiemodi en -methoden gebruiken, " zei Esposito. "We hebben deze 26 puinschijven gedetecteerd met een zeer consistente gegevenskwaliteit, waar we de waarnemingen echt kunnen vergelijken, iets dat uniek is in termen van puinschijfonderzoeken."

De zeven puinschijven die nooit eerder op deze manier zijn afgebeeld, bevonden zich tussen 13 schijven rond sterren die samen door de Melkweg bewegen, leden van een groep genaamd de sterrenvereniging Scorpius-Centaurus, die zich tussen 100 en 140 parsec van de aarde bevindt, of zo'n 400 lichtjaar.

"Het is als de perfecte visplek; ons slagingspercentage was veel groter dan al het andere dat we ooit hebben gedaan, " zei Paul Kalas, een UC Berkeley adjunct-hoogleraar astronomie die tweede auteur is van het artikel. Omdat ze alle zeven rond sterren zijn die in ongeveer dezelfde tijd in dezelfde regio zijn geboren, "Die groep zelf is een mini-laboratorium waar we de architecturen van vele planetaire kinderdagverblijven die zich gelijktijdig ontwikkelen onder verschillende omstandigheden kunnen vergelijken en contrasteren, iets dat we voorheen niet hadden, " voegde Esposito toe.

Van de 104 waargenomen sterren, 75 geen schijf had met een grootte of dichtheid die GPI kon detecteren, hoewel ze misschien wel omringd zijn door puin dat is overgebleven van de planeetvorming. Drie andere sterren werden waargenomen met schijven die behoorden tot de eerdere "protoplanetaire" fase van evolutie.

Hoe zag ons zonnestelsel er in de kinderschoenen uit?

De omvang van de puinschijven varieerde sterk, maar de meeste varieerden tussen 20 en 100 AU. Dit waren rond sterren die in leeftijd varieerden van tientallen miljoenen jaren tot een paar honderd miljoen jaar, een zeer dynamische periode voor de evolutie van planeten. De meeste waren groter en helderder dan de zon.

De ene ster, HD156623, die geen gat in het midden van de puinschijf had, was een van de jongste in de groep, die past bij theorieën over hoe planeten worden gevormd. aanvankelijk, de protoplanetaire schijf moet relatief uniform zijn, maar naarmate het systeem ouder wordt, planeten vormen en vegen het binnenste deel van de schijf uit.

"Als we kijken naar jongere circumstellaire schijven, zoals protoplanetaire schijven die zich in een eerdere fase van evolutie bevinden, wanneer planeten zich vormen, of voordat planeten zijn begonnen te vormen, er is veel gas en stof in de gebieden waar we deze gaten in de oudere puinschijven vinden, Esposito zei. "Iets heeft dat materiaal in de loop van de tijd verwijderd, en een van de manieren waarop je dat kunt doen is met planeten."

Omdat gepolariseerd licht van puinschijven astronomen theoretisch de samenstelling van het stof kan vertellen, Esposito hoopt modellen te verfijnen om de compositie te voorspellen, in het bijzonder om water te detecteren, waarvan men denkt dat het een voorwaarde voor het leven is.

Studies als deze kunnen helpen bij het beantwoorden van een slepende vraag over ons eigen zonnestelsel, zei Kalas.

"Als je de klok voor ons eigen zonnestelsel 4,5 miljard jaar terugdraait, welke van deze schijven waren wij? Waren we een smalle ring, of waren we een wazige klodder?' zei hij. 'Het zou geweldig zijn om te weten hoe we er toen uitzagen om onze eigen afkomst te begrijpen. Dat is de grote onbeantwoorde vraag."