datum: 17-12-1992 | sectie: Wetenschap en Onderwijs | pagina: 6

Nieuwe techniek ziet vele planetenstelsels in wording - George Beekman

Meer dan 4,5 miljard jaar geleden werd de zon omringd door een schijf van gas en stof. Uit deze schijf zouden zich later planeten vormen. De schijf was het resultaat van het onder invloed van de zwaartekracht inkrimpen en door aswenteling platter worden van een nog veel grotere wolk van gas en stof in de ruimte tussen de sterren.

Microscopisch kleine stofjes klonterden eerst samen tot grotere deeltjes, die verder aangroeiden tot kilometer-grote planetesimalen. Uit dit oermateriaal ontstonden door botsingen en verdere samenklontering de planeten.

De zon is slechts een van de vele sterren in ons Melkwegstelsel en aangezien er nog steeds sterren ontstaan, moeten er ook vele sterren met een circumstellaire schijf zijn. De aanwijzingen dat vele jonge sterren zo'n schijf hebben stapelen zich snel op. De meest nabije sterschijf is ook echt te zien en staat daardoor sterk in de belangstelling. De deeltjes in deze schijf zouden niet alleen bestaan uit gesteente-achtig materiaal, maar ook uit ijs. Zien we hier een planetenstelsel-in-wording?

De eerste aanwijzingen voor het bestaan van stofschijven rond sterren kwamen van de Nederlands-Amerikaanse infraroodsatelliet IRAS. Deze ontdekte in 1983 dat sommige sterren meer infrarode straling uitzenden dan op grond van hun temperatuur mogelijk was. Deze straling wees op "warm' stof rond die sterren. Dit stof absorbeert sterlicht en zendt de energie weer uit op langere golflengten, dus als warmtestraling.

Zulke stofschijven geven niet alleen een inzicht in het geboorteproces van sterren, maar ook in dat van ons zonnestelsel. Daarom kwam er na het ter ziele gaan van IRAS een ware jacht naar zulke stofschijven op gang. Men gebruikte telescopen op hoge punten op aarde, waar de absorptie van infrarode straling door de aardatmosfeer zo klein mogelijk is. En men zocht natuurlijk in vooral die gebieden in het Melkwegstelsel waar zich veel jonge sterren bevinden.

De Amerikaanse astronomen D. Backman en F. Paresce melden in het binnenkort te verschijnen boek Protostars and Planets III (University of Arizona Press) dat deze waarnemingen laten zien dat stofschijven bij jonge sterren vrij algemeen voorkomen. De totale massa van het stof in de schijven loopt uiteen van minder dan 0,01 tot bijna 1 zonsmassa. Dit betekent dat er vrijwel altijd voldoende materie voorhanden is voor het ontstaan van planeten. Of dat ook gebeurt, is natuurlijk een tweede.

Gelukkig toeval

De enige stofschijf die daadwerkelijk is gefotografeerd, is die rond Bta Pictoris, een ster op een afstand van ongeveer 50 lichtjaar. Deze schijf werd in 1984 in infrarood licht gezien en twee jaar later ook in zichtbaar licht. Dit zichtbare licht is sterlicht dat door het omringende stof in alle richtingen wordt verstrooid. Door een gelukkig toeval zien we de stofschijf vrijwel van opzij, zodat hij betrekkelijk helder is.

De schijf rond Bta Pictoris heeft een diameter van minstens 20 maal die van de baan van Pluto, de buitenste planeet van ons zonnestelsel. Uit de verstrooiing kan men afleiden dat de stofjes een diameter van minstens 0,001 mm moeten hebben. Dat lijkt niet veel, maar het maakt de stofjes minstens tienmaal zo groot als de stofdeeltjes die vrij tussen de sterren zweven. Dit suggereert dat het van oorsprong interstellaire stof hier misschien al bezig is met samenklonteren tot grotere deeltjes.

Bij verstrooiing van licht aan stofdeeltjes treedt ook polarisatie op: de trillingsrichting van het licht vertoont dan een voorkeur voor n richting. Een groep Finse en Italiaanse astronomen heeft nu de polarisatie in het infrarood gemeten rondom twee zeer jonge sterren in het sterrenbeeld Cassiopeia. Uit de polarisatie-beelden is te zien dat ook deze sterren in een dichte stofschijf zitten. De ene is iets kleiner dan de schijf rond Bta Pictoris. De andere schijf is compacter en te klein om de afmetingen ervan te kunnen bepalen (Nature 359, p. 399).

De Franse astronomen F. Mnard en P. Bastien hebben soortgelijke metingen verricht in zichtbaar licht aan dertig andere jonge sterren. In lle gevallen vonden zij aanwijzingen voor een stofschijf, met een diameter die uiteenloopt van 2,5 tot 25 maal de diameter van de baan van Pluto. Hun waarnemingen worden binnenkort gepubliceerd in de Astrophysical Journal. De Amerikaan Stephen E. Strom noemt deze resultaten in een enthousiast commentaar in Nature "de meest recente en directe schakel in de keten van aanwijzingen dat jonge sterren van uiteenlopende massa's een protoplanetaire schijf hebben'.

Absorptielijnen

Intussen levert het onderzoek aan de enige schijf die ook werkelijk is gefotografeerd, die rond Bta Pictoris, steeds interessantere resultaten op. Behalve door stof blijkt deze ster ook omringd door gas. Dat kan men afleiden uit de absorptielijnen in het spectrum van het sterlicht: een deel van het licht dat de ster uitzendt wordt geabsorbeerd als het door het gas heen dringt.

Nu blijken er in deze absorptielijnen grote veranderingen op te treden, op tijdschalen van maanden, dagen en zelfs uren. Deze veranderingen zouden volgens een gewaagde theorie veroorzaakt kunnen worden door de verdamping van kleine komeetachtige objecten die rond de ster draaien. Deze objecten zouden gewoonlijk ongeveer cirkelvormige banen beschrijven, maar door de aanwezigheid van minstens n protoplaneet zouden die banen zodanig kunnen worden verstoord dat de objecten af en toe dicht langs de ster komen en verdampen.

Het is niet onredelijk te veronderstellen dat een jonge ster als Bta Pictoris omringd is door een grote schare van zulke objecten. Toen onze zon heel jong was, was dat bij haar ook het geval. Deze komeet-theorie won bovendien terrein toen er vorig jaar in het spectrum van de gasschijf een kenmerk werd waargenomen dat op de aanwezigheid van silicaten wijst. Die verbindingen werden ook gevonden in het spectrum van de kometen Halley en Kohoutek toen die zich dicht bij de zon bevonden (en dus veel gas en stof verloren).

Als er zich komeetachtige objecten in de circumstellaire schijf bevinden, is het ook niet onredelijk te veronderstellen dat er door verdere samenklontering ng grotere objecten ontstaan of al zijn ontstaan: planeten. In dat geval zullen die de binnendelen van de schijf enigszins hebben schoongeveegd: er zal zich daar minder stof bevinden dan in de buitendelen.

Dus probeert men nu om bij Bta Pictoris het stralingsverloop van het stof tot zo dicht mogelijk bij de ster te volgen, zowel in zichtbaar licht als in het infrarood, en op grond daarvan de verdeling van het stof te berekenen. Uit die waarnemingen wordt nu geconcludeerd dat "het plausibel is te veronderstellen dat zich in de meer naar binnen gelegen gebieden een stofvrij gebied bevindt'.

Zwak licht

Nu is het heel moeilijk om zulk zwak licht tot dicht bij de ster zelf waar te nemen. De ster overstraalt het gemakkelijk. Weliswaar wordt de ster in de telescoop door middel van een "masker' afgeschermd, maar er kruipt toch altijd wat licht om de rand ervan heen. In het septembernummer van de ESO Messenger beschrijft een groep Franse astronomen een nieuwe techniek waarmee dit probleem kan worden verkleind.

In plaats van een afschermend masker gebruiken zij een anti blooming detector, dat wil zeggen een elektronische detector waarmee het effect van overstraling vrijwel geheel wordt onderdrukt. Enkele beeldelementen van de detector worden door de ster volledig "overstraald', maar die desinformatie kan langs elektronische weg uit het beeld worden verwijderd. De (niet-overstraalde) beeldelementen er vlak omheen kunnen dan wl het zeer zwakke licht van de stofschijf registreren.

Op deze manier heeft men nu het licht van de stofschijf rond Bta Pictoris tot op 2 boogseconde van de ster kunnen waarnemen en dat heeft een interessante ontdekking opgeleverd. De helderheid van de stofjes blijkt vlak bij de ster met minstens een factor vier af te nemen. Dit kan niet worden verklaard met een afname van hun diameter, maar moet samenhangen met een verandering van hun eigenschappen. Het zou kunnen betekenen dat de stofjes uit ijsachtig materiaal bestaan dat bij kleinere afstand tot de ster steeds stoffiger wordt.

De Franse astronomen zijn er van overtuigd dat met behulp van deze techniek de stofschijf rond Bta Pictoris zelfs tot op minder dan n boogseconde van de ster kan worden waargenomen. Dat zou nog interessantere waarnemingsresultaten kunnen opleveren. Vertaald naar ons zonnestelsel komen we dan namelijk binnen de baan van Saturnus. Bovendien zou deze techniek nieuwe mogelijkheden bieden bij het zichtbaar maken van de lichtzwakkere protoplanetaire schijven die nu rond vele andere sterren worden ontdekt: zelfs wanneer die minder op hun kant worden gezien dan bij Bta Pictoris.

Astronomen beschikken nu over waarnemingstechnieken waarmee de verschillende ontwikkelingsstadia van protoplanetaire schijven rond sterren kunnen worden bestudeerd: van het moment dat zo'n ster ontstaat tot de tijd waarin zich planeten (kunnen) gaan vormen. Een belangrijke vooruitgang in onze kennis van deze schijven wordt verwacht na de lancering van de Europese infraroodsatelliet ISO, de opvolger van de IRAS. Deze zal scherper kunnen kijken en ook zwakkere objecten kunnen bestuderen. De lancering zal waarschijnlijk eind 1994 plaatsvinden.

Het waarnemen van de mogelijke planeten zelf in stofschijven is met deze technieken niet mogelijk. Daarvoor gebruikt men andere waarnemingsmethoden, zoals het nauwkeurig volgen van de beweging of snelheid van een kandidaat-ster. Die waarnemingen hebben tot nu toe echter nog geen overtuigende resultaten opgeleverd.

Foto: De stofschijf rond Bta Pictoris, gefotografeerd in 1984 door B. Smith en R. Terrile met de 2,5 meter telescoop op de Las Campanas-sterrenwacht in Chili. De ster en zijn directe omgeving zijn in de telescoop afgeschermd door een masker. Het "kruis' is een telescopisch effect. De stofschijf heeft een diameter van minstens 20 maal de diameter van de baan van Pluto, de buitenste planeet van ons zonnestelsel. Misschien zien we hier een planetenstelsel in wording. (foto Jet Propulsion Laboratory)

Foto: De stofschijf rond Bta Pictoris, gefotografeerd in 1991 door F. Colas met de 2,2 meter telescoop van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili. De ster en zijn directe omgeving zijn langs elektronische weg uit het beeld verwijderd. Met het heldere "kruis', een telescopisch effect, was dat niet mogelijk. De stofschijf heeft een diameter van minstens 20 maal de diameter van de baan van Pluto, de buitenste planeet van het zonnestelsel. Misschien zien we hier een planetenstelsel in wording (foto F. Colas)

Onderschrift: Beschrijvingen zie onderaan artikel

Trefwoord: Astronomie en ruimtevaart; Wetenschap en Techniek; Exacte Wetenschappen