Astronomen gebruiken 'kleine orkanen' om planeten rond jonge sterren te wegen en te dateren

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en het Institute for Advanced Study hebben een techniek ontwikkeld die waarnemingen van deze 'orkanen' door de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) (*) gebruikt om enkele limieten te stellen voor de massa en ouderdom van planeten in een jong sterrenstelsel.

Image

Bij de foto: ALMA-opname van de protoplanetaire schijf rond HL Tauri. Foto: Credits: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Pannenkoekachtige wolken van gassen, stof en ijs rond jonge sterren – bekend als protoplanetaire schijven – zijn waar de planeetvorming begint. Door een proces dat bekend staat als kernaccretie, zorgt de zwaartekracht ervoor dat deeltjes in de schijf aan elkaar kleven en uiteindelijk grotere vaste lichamen vormen, zoals planetoïden of planeten. Terwijl zich jonge planeten vormen, beginnen ze gaten in de protoplanetaire schijf te maken, zoals groeven op een vinylplaat.

Zelfs een relatief kleine planeet – zo klein als een tiende van de massa van Jupiter volgens sommige recente berekeningen – zou in staat kunnen zijn om dergelijke gaten te creëren. Aangezien deze 'super-Neptunus'-planeten op een grotere afstand om hun ster kunnen draaien dan Pluto om de zon draait, kunnen traditionele detectiemethoden voor exoplaneten niet worden gebruikt.

Naast de groeven hebben waarnemingen van ALMA andere duidelijke structuren in protoplanetaire schijven aangetoond, zoals banaan- of pindavormige bogen en klonten. Er werd gedacht dat ten minste enkele van deze structuren ook door planeten werden aangedreven.

"Er moet iets zijn waardoor deze structuren ontstaan", zei hoofdauteur professor Roman Rafikov van Cambridge's Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, en het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey.

"Een van de mogelijke mechanismen voor het produceren van deze structuren - en zeker de meest intrigerende - is dat stofdeeltjes die we zien als bogen en klonten, geconcentreerd zijn in de centra van vloeistofwervelingen. In wezen kleine orkanen die kunnen worden veroorzaakt door een bepaalde instabiliteit bij de randen van de openingen die door planeten in protoplanetaire schijven zijn uitgehouwen.”

In samenwerking met zijn promovendus Nicolas Cimerman gebruikte Rafikov deze interpretatie om een methode te ontwikkelen om de massa of ouderdom van een planeet te begrenzen als er een draaikolk wordt waargenomen in een protoplanetaire schijf. Hun resultaten zijn geaccepteerd voor publicatie in twee afzonderlijke artikelen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Het is buitengewoon moeilijk om kleinere planeten die ver van hun ster verwijderd zijn te bestuderen door ze rechtstreeks in beeld te brengen: het zou zijn alsof je een vuurvliegje voor een vuurtoren probeert te spotten", zei Rafikov. "We hebben andere methoden nodig om meer te weten te komen over deze planeten."

Om hun methode te ontwikkelen, berekenden de twee onderzoekers eerst theoretisch hoe lang het zou duren voordat een planeet een draaikolk in de schijf zou produceren. Vervolgens gebruikten ze deze berekeningen om de eigenschappen van planeten in schijven met wervels te begrenzen, waarmee ze in feite ondergrenzen stelden aan de massa of leeftijd van de planeet. Ze noemen deze technieken ‘vortex wegen’ en ‘vortex dateren’ van planeten.

Wanneer een groeiende planeet massief genoeg wordt, begint hij materiaal van de schijf weg te duwen. Wanneer dit gebeurt, wordt materiaal aan de buitenkant van de kloof dichter dan materiaal aan de binnenkant van de kloof. Als de kloof dieper wordt en de verschillen in dichtheid groot worden, kan een instabiliteit ontstaan. Deze instabiliteit verstoort de schijf en kan uiteindelijk een vortex veroorzaken.

"In de loop van de tijd kunnen meerdere wervels samenvloeien en evolueren tot één grote structuur die lijkt op de bogen die we met ALMA hebben waargenomen", zegt Cimerman. Omdat de draaikolken tijd nodig hebben om zich te vormen, zeggen de onderzoekers dat hun methode als een klok is die kan helpen de massa en leeftijd van de planeet te bepalen.

"Grotere planeten produceren eerder in hun ontwikkeling draaikolken vanwege hun sterkere zwaartekracht, dus we kunnen de draaikolken gebruiken om wat beperkingen op te leggen aan de massa van de planeet, zelfs als we de planeet niet direct kunnen zien", zei Rafikov.

Met behulp van verschillende gegevenspunten, zoals spectra, helderheid en beweging, kunnen astronomen de geschatte leeftijd van een ster bepalen. Met deze informatie berekenden de Cambridge-onderzoekers de laagst mogelijke massa van een planeet die sinds de vorming van de protoplanetaire schijf in een baan om de ster zou kunnen hebben gestaan en in staat was een draaikolk te produceren die door ALMA kon worden gezien. Dit hielp hen een ondergrens te stellen aan de massa van de planeet zonder deze rechtstreeks waar te nemen.

Door deze techniek toe te passen op verschillende bekende protoplanetaire schijven met prominente bogen, die wervelingen suggereren, ontdekten de onderzoekers dat de vermeende planeten die deze wervels creëren massa's moeten hebben van ten minste enkele tientallen aardmassa's, in het super-Neptunus-bereik.

“In mijn dagelijkse werk richt ik me vaak op de technische aspecten van het uitvoeren van de simulaties”, zegt Cimerman. "Het is spannend als dingen samenkomen en we onze theoretische bevindingen kunnen gebruiken om iets te leren over echte systemen."

"Onze beperkingen kunnen worden gecombineerd met de limieten van andere methoden om ons begrip van planetaire kenmerken en planeetvormingspaden in deze systemen te verbeteren", zei Rafikov. "Door planeetvorming in andere sterrenstelsels te bestuderen, kunnen we meer te weten komen over hoe ons eigen zonnestelsel is geëvolueerd."