MIRI op JWST vindt water in zone rond ster waar rotsachtige planeten kunnen vormen

_{⌂ » Werk & ondernemen » Nijmegen innoveert}

Waarnemingen met de James Webb Space Telescope hebben voor het eerst water gevonden in de binnenste schijf rond een jonge ster waar op grotere afstand al reuzenplaneten zijn gevormd. Het onderzoek is gedaan binnen de MINDS-samenwerking, die wordt geleid door het Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) in Heidelberg, Duitsland, en waarvan ook astronomen aan de Radboud Universiteit, de Rijksuniversiteit Groningen en de Universiteit Leiden deel uitmaken. Het resultaat is 24 juli 2023 gepubliceerd in Nature.

Het gaat om de binnenste schijf van gas en stof rond de jonge ster PDS 70. Astronomen verwachten dat in die zone aardachtige planeten kunnen worden gevormd. Dit is de eerste waarneming van water in een stadium waarin de schijf al het meeste materiaal heeft verloren. Elke rotsachtige planeet die in de binnenschijf ontstaat, zou profiteren van een aanzienlijk lokaal waterreservoir, waardoor de kans op ‘leefbaarheid’ in een later stadium zou toenemen. Deze ontdekking vormt bewijs voor een mechanisme om potentieel bewoonbare planeten al tijdens hun vorming van water te voorzien, naast de komst van water door latere inslagen van planetoïden.

Water is essentieel voor het leven op aarde. Wetenschappers discussiëren echter over hoe het de aarde heeft bereikt en of dat proces ook rotsachtige exoplaneten rond andere sterren leefbaar zou kunnen maken. Het voorkeursmechanisme is de aanvoer door waterhoudende planetoïden die het oppervlak van een jonge planeet bombarderen. ‘We hebben nu misschien bewijs gevonden dat water ook kan dienen als een van de eerste ingrediënten van rotsachtige planeten en direct na hun geboorte beschikbaar kan zijn’, zegt Giulia Perotti, astronoom aan MPIA en hoofdauteur van het artikel dat de ontdekking van water in de planeetvormende schijf van de jonge ster PDS 70, op ongeveer 370 lichtjaar afstand van de aarde, beschrijft.

Binnenschijf

Waarnemingen met het Mid-InfraRed Instrument MIRI aan boord van de James Webb Space Telescope (JWST) ontdekten het water in de buurt van het centrum van de schijf, dicht bij de moederster PDS 70. In ons zonnestelsel is dit het gebied waar rotsachtige planeten rond de zon draaien. Volgens de analyse is het water hete damp van maar liefst 230 graden Celsius. ‘Deze ontdekking is heel opwindend omdat het gaat om het gebied waar rotsachtige planeten zoals de aarde normaal gesproken ontstaan’, zegt MPIA-directeur Thomas Henning,  coauteur van het artikel, co-onderzoeker van MIRI en hoofdonderzoeker van het MINDS-programma (MIRI Mid-Infrared Disk Survey).

MINDS is een programma met gegarandeerde JWST-tijd waarbij onderzoeksinstituten uit elf Europese landen betrokken zijn. Het doel van dit programma is om de eigenschappen van schijven van gas en stof rond jonge sterren te identificeren, die informatie geven over de omstandigheden die bepalend zijn voor de samenstelling van planeten die daar kunnen worden gevormd.

PDS 70 is de eerste relatief oude schijf ­– met een leeftijd van ongeveer 5,4 miljoen jaar – waar astronomen water hebben gevonden. Na verloop van tijd neemt het gas- en stofgehalte van planeetvormende schijven af; de straling van de centrale ster of de sterrenwind verwijdert materiaal zoals stof en waterdamp, of het stof groeit uit tot grotere objecten die uiteindelijk planeten vormen.

Omdat eerdere studies geen water hebben gevonden in de centrale regio's van schijven die op vergelijkbare wijze zijn geëvolueerd, vermoedden astronomen dat water de straling van de ster misschien niet zou overleven, wat zou leiden tot een omgeving waar droge rotsachtige planeten kunnen vormen. Deze hypothese is met dit onderzoek weerlegd. Astronoom en coauteur Rens Waters (Radboud Universiteit): ‘De binnenranden van geëvolueerde en stofarme schijven zijn misschien toch niet zo droog als we eerder dachten. Als dat zo is, zouden veel aardse planeten die in die zones ontstaan wel eens geboren kunnen worden met een belangrijk ingrediënt om leven mogelijk te maken.’

Er zijn tot nu toe geen planeten gevonden in de buurt van het centrum van de PDS 70-schijf. Astronomen hebben wel twee gasreuzen ontdekt die verder weg staan: PDS 70 b en c. Deze planeten hebben tijdens hun groei stof en gas opgestapeld terwijl ze om hun moederster draaiden, waardoor een brede ringvormige opening is ontstaan die bijna geen waarneembaar materiaal bevat. De voortgang van het MINDS-programma zal uiteindelijk uitwijzen of water vaak voorkomt in de zones waar aardachtige planeten kunnen vormen in de geëvolueerde schijven rond jonge sterren, of dat PDS 70 slechts een uitzondering is.

Oorsprong van het water

Omdat de aanwezigheid van water enigszins onverwacht was, onderzoekt het MINDS-team verschillende scenario's om hun vondst te verklaren. Eén mogelijkheid is dat het water een overblijfsel is van een waterrijke nevel die aan de schijffase voorafging. Water komt vrij veel voor, vooral in bevroren toestand, waarbij het kleine stofdeeltjes bedekt. Wanneer het wordt blootgesteld aan hitte in de buurt van een ster die wordt gevormd, verdampt het water en vermengt het zich met de andere gassen. Helaas zijn watermoleculen vrij kwetsbaar en breken ze in kleinere bestanddelen zoals waterstof en zuurstof wanneer ze worden geraakt door de schadelijke UV-straling van de nabije ster.

Omringend materiaal zoals stof en de watermoleculen zelf dienen echter als een beschermend schild.

Een andere bron zou gas kunnen zijn dat vanaf de buitenranden van de PDS 70-schijf naar binnen komt. Onder bepaalde omstandigheden kunnen zuurstof en waterstofgas samengaan en waterdamp vormen. Daarnaast kunnen de allerkleinste, met ijs bedekte stofdeeltjes toch de binnenschijf bereiken omdat ze met het gas mee naar binnen stromen.

De centrale ster is zo zwak dat hij het waterijs op de afstand van die ring niet kan laten verdampen. Pas als de kleine stofkorrels de binnenschijf dicht bij de ster bereiken, verandert het ijs in gas. ‘De waarheid ligt waarschijnlijk in een combinatie van al deze mogelijkheden’, zegt coauteur Inga Kamp (Rijksuniversiteit Groningen) ‘Toch is het waarschijnlijk dat één mechanisme een doorslaggevende rol speelt bij het in stand houden van het waterreservoir van de PDS 70-schijf.’ Welk mechanisme dat is, is onderwerp van verder onderzoek. De astronomen hebben al aanvullende waarnemingen gedaan met telescopen op de grond om het beeld compleet te maken. Daarnaast kijken ze reikhalzend uit naar een nieuwe reeks JWST-waarnemingen die gedetailleerde beelden van de binnenste schijf van PDS 70 gaan opleveren. Ze hopen dat de structuur van de schijf hints zal onthullen over aardse planeten of de wat grotere ‘sub-Neptunussen’ die in het waterreservoir zouden kunnen worden gevormd.

Dit artikel verscheen eerder op Radboud Universiteit.