Wetenschap
Webb vindt hints van een derde planeet op PDS 70
De exoplanetentelling staat nu op 5.599 bevestigde ontdekkingen in 4.163 sterrenstelsels, terwijl nog eens 10.157 kandidaten op bevestiging wachten. Tot nu toe is de overgrote meerderheid hiervan gedetecteerd met behulp van indirecte methoden, waaronder transitfotometrie (74,4%) en radiale snelheidsmetingen (19,4%).
Slechts 19 (of 1,2%) werden gedetecteerd via Direct Imaging, een methode waarbij licht dat wordt gereflecteerd door de atmosfeer of het oppervlak van een exoplaneet wordt gebruikt om deze te detecteren en te karakteriseren. Dankzij de nieuwste generatie instrumenten met hoog contrast en hoge hoekresolutie begint dit te veranderen.
Dit omvat de James Webb-ruimtetelescoop en zijn geavanceerde spiegels en geavanceerde infraroodbeeldvormingssuite. Met behulp van gegevens verkregen door Webb's Near-Infrared Camera (NIRCam) hebben astronomen met de MIRI mid-INfrared Disk Survey (MINDS)-enquête onlangs een zeer jonge veranderlijke ster (PDS 70) bestudeerd op een afstand van ongeveer 370 lichtjaar met twee bevestigde protoplaneten. P>
Nadat ze het systeem en de uitgebreide puinschijf hadden onderzocht, vonden ze bewijs dat er een derde mogelijke protoplaneet in een baan om de ster draait. Deze waarnemingen kunnen ons begrip van planetaire systemen die zich nog in het vormingsproces bevinden, helpen vergroten.
De MINDS-enquête is een internationale samenwerking bestaande uit astronomen en natuurkundigen van het Max-Planck-Instituut voor Astronomie (MPIA), het Kapteyn Astronomisch Instituut, het Ruimteonderzoeksinstituut van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (OAW-IFW), het Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), het Centro de Astrobiología (CAB), het Institute Nazionale di Astrofisica (INAF), het Dublin Institute for Advanced Studies (DIAS), het SRON Netherlands Institute for Space Research en meerdere universiteiten.
Het artikel waarin hun bevindingen worden beschreven, zal verschijnen in het tijdschrift Astronomy &Astrophysics en is momenteel beschikbaar op de arXiv preprint-server.
PDS 70 staat de afgelopen jaren in de belangstelling vanwege zijn jonge leeftijd (5,3 tot 5,5 miljoen jaar) en de omringende protoplanetaire schijf. Tussen 2018 en 2021 werden twee protoplaneten binnen de gaten van deze schijf bevestigd op basis van directe beeldgegevens verkregen door geavanceerde telescopen op de grond. Dit omvatte onder meer de Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE) en GRAVITY-instrumenten van de Very Large Telescope (VLT) van ESO en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).
De afgelopen jaren heeft het MINDS-team spectrale gegevens van Webb gebruikt om chemische inventarisaties uit te voeren op protoplanetaire schijven in meerdere sterrensystemen. In een eerder onderzoek op basis van gegevens van Webb's Mid-Infrared Instrument (MIRI) heeft het MINDS-team water gedetecteerd in de binnenste schijf van PDS 70, gelegen op ongeveer 160 miljoen km (100 miljoen mijl) of 1.069 AU van de ster. zou gevolgen kunnen hebben voor de astrobiologie en de oorsprong van water op rotsachtige planeten (zoals de aarde). Deze resultaten tonen de indrukwekkende capaciteiten van Webb aan en hoe hij de kosmos kan waarnemen in infrarode (IR) golflengten die niet toegankelijk zijn voor observatoria op de grond.
Valentin Christiaens, een F.R.S-FNRS postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Luik en de KU Leuven, was de hoofdauteur van dit nieuwste artikel. "Het voordeel van de instrumenten van Webb is dat ze waarnemen op infrarode golflengten die niet vanaf de grond kunnen worden waargenomen vanwege onze atmosfeer, die het grootste deel van het infraroodspectrum absorbeert", vertelde hij via e-mail aan Universe Today. "Dankzij Webb kunnen we metingen verkrijgen van planeten in vorming (protoplaneten genoemd) in het infrarood, waardoor we onze modellen van planeetvorming beter kunnen beperken."
Voor hun laatste onderzoek onderzocht het MINDS-team PDS 70 met behulp van gegevens van Webb's NIRCam als onderdeel van het MIRI Guaranteed Time Observations-programma over planeetvorming. Christiaens en zijn team waren gemotiveerd om PDS 70 verder te bestuderen omdat eerder onderzoek de mogelijke detectie van een derde protoplaneet aangaf. Dit maakt het systeem een ideaal laboratorium om de interacties tussen planeet en schijf te bestuderen en te zoeken naar accretiesignaturen. De aanwezigheid van een mogelijk derde signaal werd in 2019 gedetecteerd door een team dat het VLT/SPHERE-instrument gebruikte, maar bleef sindsdien onbevestigd.
Een mogelijke interpretatie van dit signaal was dat het een derde planeet volgt. Met behulp van NIRCam-gegevens probeerden Christiaens en zijn collega's dit signaal opnieuw te detecteren en te bevestigen dat het een derde planeet in het systeem was. De JWST is bijzonder geschikt voor deze taak, dankzij de geavanceerde optica en coronograaf, die interferentie uit de beelden van Webb verwijdert door het licht van de ster te blokkeren. Hij en zijn collega's werden ook geholpen door geavanceerde algoritmen die helpen sterlicht te scheiden van andere puntbronnen in een baan (zoals exoplaneten) en puinschijven. Zoals Christiaens uitlegde:
‘De waarneming van een andere ster, een referentiester genoemd, kan worden gebruikt om het licht van de betreffende ster af te trekken en daar naar exoplaneten te zoeken. In ons onderzoek hebben we in plaats daarvan gekozen voor een techniek die ‘rolaftrekken’ wordt genoemd, waarbij twee reeksen van Er worden beelden gemaakt van de betreffende ster, respectievelijk vóór en nadat het instrument is geroteerd, zodat de positie van een exoplaneet in de twee beeldreeksen is geroteerd. Van daaruit worden de beelden van de ene reeks afgetrokken van die van de andere omgekeerd kunnen we effectief het licht van de ster verwijderen en beelden maken van zijn omgeving – planeten en schijf.”
Het team combineerde vervolgens hun metingen met eerdere waarnemingen gedaan met grondinstrumenten en vergeleek ze met planetaire vormingsmodellen. Hieruit konden ze de hoeveelheid verzameld gas en stof rond de protoplaneet tijdens de observatieperiode afleiden. Dankzij de kwaliteit van de beelden konden ze ook een spiraalarm van gas en stof benadrukken die de tweede bevestigde kandidaat (PDS 70 c) leverde, zoals voorspeld door de modellen. Ten slotte ontdekten ze een helder signaal dat leek op een kandidaat-protoplaneet, gehuld in stof.
"Wat deze kandidaat zo interessant maakt, is dat hij in 1:2:4-resonantie zou kunnen zijn met de planeten b en c, wat al in het systeem is bevestigd (dat wil zeggen dat zijn omlooptijd bijna precies twee keer en vier keer korter zal zijn dan die van b). en c), respectievelijk),' aldus Christiaens. Dit is precies wat er gebeurt met drie van Jupiters Galileïsche manen (Ganymedes, Europa en Io), die zich ook in een 1:2:4-resonantie bevinden. De mogelijkheid van een sterrenstelsel met drie planeten in deze orbitale relatie zou een goudmijn zijn voor astronomen. "Er zijn echter meer observaties nodig voordat deze resonantie kan worden bevestigd", voegde Christiaens eraan toe.
Naast het aantonen van de capaciteiten van Webb, kunnen deze bevindingen ons huidige inzicht helpen verschaffen in de manier waarop planetaire systemen zich vormen en evolueren. Dit is een van de belangrijkste doelstellingen van de JWST:zijn geavanceerde infraroodoptiek gebruiken om jonge sterrenstelsels te onderzoeken waar planeten zich nog in het proces van vorming bevinden. Dit heeft voor astronomen een hoge prioriteit gehad sinds Kepler begon met het detecteren van exoplaneten die de algemeen aanvaarde theorieën over de vorming en evolutie van planetenstelsels tartten. Met name de detectie van veel gasreuzen die dicht bij hun zon draaien ("hete Jupiters") was in tegenspraak met de theorieën dat gasreuzen zich in de buitenste regionen van sterrenstelsels vormen.
Door jonge sterrenstelsels in verschillende stadia van vorming te observeren hopen astronomen verschillende theorieën te testen over hoe het zonnestelsel is ontstaan.
Zoals Christiaens samenvatte:‘Er wordt gedacht dat de migratie van planeten een cruciale rol speelt in de evolutie van planetaire systemen en de diversiteit van de tot nu toe gevonden systemen via indirecte methoden helpt verklaren. In veel volwassen systemen blijkt dat planeten met elkaar resoneren. , wat suggereert dat deze migratie inderdaad in het verleden heeft plaatsgevonden. In ons geval observeren we een heel jong systeem, nog in vorming, waar de twee bekende reuzenplaneten in resonantie lijken te zijn en waar de derde potentiële planeet, indien bevestigd, dat zou doen. Dat geldt ook voor de andere twee. In het geval van het zonnestelsel vermoeden we dat de migratie en resonantie van de reuzenplaneten waarschijnlijk ook heel lang geleden plaatsvonden, wat hun huidige configuratie zou kunnen verklaren (Great Tack-hypothese). Hier observeren we het mogelijk live in een ander systeem!"