Hoe drie ijzeren ringen de vorming van planeten zouden kunnen herdefiniëren

Een structuur met drie ringen in het planeetvormende gebied van de circumstellaire schijf, waar mineralen en metalen dienen als opslagplaats voor planetaire bouwstenen.

Een onderzoeksteam, waaronder astronomen van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA), heeft een planetaire kraamkamerstructuur met drie ringen ontdekt in de binnenste planeetvormende schijf van een jonge ster. Deze configuratie suggereert er twee Jupiter– Planeten met massa vormen zich in de gaten tussen de ringen. Gedetailleerde analyse komt overeen met overvloedige vaste ijzerkorrels die de stofsamenstelling aanvullen. Als gevolg hiervan bevat de schijf waarschijnlijk mineralen en metalen die vergelijkbaar zijn met die op de aardse planeten in het zonnestelsel. Het biedt een kijkje in omstandigheden die vergelijkbaar zijn met het vroege zonnestelsel meer dan vier miljard jaar geleden tijdens de vorming van rotsachtige planeten zoals Mercurius. Venusen de aarde.

Drie ijzeren ringen in een planeetvormende schijf

De oorsprong van de aarde en het zonnestelsel inspireert zowel wetenschappers als het publiek. Door de huidige toestand van onze thuisplaneet en andere lichamen in het zonnestelsel te bestuderen, hebben onderzoekers een gedetailleerd beeld ontwikkeld van de omstandigheden waaronder deze zich ongeveer 4,5 miljard jaar geleden ontwikkelden uit een schijf van stof en gas rond de jonge zon.

Drie ringen duiden op twee planeten

Dankzij de verbazingwekkende vooruitgang in het onderzoek naar ster- en planeetvorming, gericht op verre hemellichamen, kunnen we nu de omstandigheden in de omgeving van jonge sterren onderzoeken en deze vergelijken met die uit het vroege zonnestelsel. Met behulp van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (Zo) Zeer grote telescoop VLTI is wat een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Józef Varga van het Konkoli Observatorium in Boedapest, Hongarije, deed. Ze observeerden de planeetvormende schijf van de jonge ster HD 144432, op ongeveer 500 lichtjaar afstand.

Een luchtfoto van de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory bovenop Cerro Paranal in de Atacama-woestijn in Chili. De VLT-interferometer (VLTI) combineert het licht van vier telescopen, waardoor beeldvorming met hoge resolutie van verre hemellichamen mogelijk wordt. Fotocredit: G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

“Door de verdeling van stof in het binnenste deel van de schijf te bestuderen, ontdekten we voor het eerst een complexe structuur waarin stof zich in een dergelijke omgeving ophoopt in drie concentrische ringen”, zegt Roy van Bokel. Hij is wetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland, en co-auteur van het primaire onderzoeksartikel gepubliceerd in het tijdschrift Astronomie en astrofysica. “Deze regio komt overeen met de regio waar rotsachtige planeten in het zonnestelsel ontstonden”, voegt Van Bokel toe. Vergeleken met het zonnestelsel bevindt de eerste ring rond HD 144432 zich binnen de baan van Mercurius, en de tweede dichtbij Marseen pad. Bovendien komt de derde ring grofweg overeen met de baan van Jupiter.

Tot nu toe hebben astronomen dergelijke formaties meestal op grotere schaal gevonden, die overeenkomen met werelden die zich buiten de ruimte bevinden Saturnus Het draait om de zon. Ringsystemen die worden aangetroffen in schijven rond jonge sterren duiden er over het algemeen op dat planeten in gaten zijn ontstaan ​​doordat stof en gas zich op hun pad ophoopten. HD 144432 is echter het eerste voorbeeld van een dergelijk complex ringsysteem zo dicht bij zijn moederster. Het komt voor in een gebied dat rijk is aan stof, wat de bouwsteen is van rotsachtige planeten zoals de aarde. Ervan uitgaande dat de ringen wijzen op de aanwezigheid van twee planeten die zich binnen de gaten vormen, schatten astronomen dat hun massa ongeveer gelijk is aan die van Jupiter.

De omstandigheden kunnen vergelijkbaar zijn met die in het vroege zonnestelsel

Astronomen bepaalden de samenstelling van stof over de schijf tot aan de scheiding van de centrale ster, wat overeenkomt met de afstand van Jupiter tot de zon. Wat ze vonden is heel bekend voor wetenschappers die de aarde en rotsachtige planeten in het zonnestelsel bestuderen: verschillende silicaten (silicium-zuurstofmetaalverbindingen) en andere mineralen die in de aardkorst en mantel worden aangetroffen, en misschien metallisch ijzer zoals gevonden op Mercurius en de aarde. Kernen. Als dit wordt bevestigd, zal dit onderzoek het eerste zijn dat ijzer in een planeetvormende schijf detecteert.

Deze illustratie is een schematisch diagram van HD 144432 zoals waargenomen met VLTI. De gegevens komen overeen met een structuur van drie concentrische ringen. De openingen tussen de ringen geven doorgaans aan dat grote planeten ontstaan ​​door aanwas van stof en gas in hun baan rond hun moederster. Silicaatmineralen bestaan ​​voornamelijk als kristallen in de binnenste hete zone. VLTI-feedback kan de koude externe schijf niet beperken. Krediet: © J. Varga et al. /MPIA

‘Tot nu toe hebben astronomen waarnemingen van stoffige schijven verklaard met een mengsel van koolstof- en silicaatstof, materialen die we bijna overal in het heelal zien’, legt Van Bokel uit. Vanuit chemisch perspectief is het ijzer-silicaatmengsel echter acceptabeler in hete binnenste schijfgebieden. Het chemische model dat Varga, de hoofdauteur van het oorspronkelijke onderzoeksartikel, op de gegevens toepaste, levert betere resultaten op wanneer ijzer wordt geïntroduceerd in plaats van koolstof.

Bovendien kan de temperatuur van het in HD 144432 waargenomen stof 1800 K (ongeveer 1500 graden) bereiken. Celsius) aan de binnenrand en een gematigde temperatuur van 300 K (ongeveer 25 °C) aan de buitenkant. Metalen en ijzer smelten en condenseren opnieuw, vaak tot kristallen, in hete gebieden nabij de ster. Koolstofkorrels daarentegen overleven de hitte niet en bestaan ​​in plaats daarvan als koolmonoxide of kooldioxidegas. Koolstof kan echter nog steeds een belangrijk onderdeel zijn van de vaste deeltjes in de koude buitenschijf, wat waarnemingen voor dit onderzoek niet kunnen volgen.

IJzerrijk, koolstofarm stof is ook zeer geschikt voor de omstandigheden in het zonnestelsel. Mercurius en de aarde zijn ijzerrijke planeten, terwijl de aarde relatief weinig koolstof bevat. ‘We denken dat de schijf HD 144432 sterk lijkt op het vroege zonnestelsel dat een groot deel van het ijzer leverde voor de rotsachtige planeten die we vandaag de dag kennen,’ zegt van Bokel. “Onze studie kan een ander voorbeeld zijn dat aantoont dat de vorming van ons zonnestelsel vrij typisch kan zijn.”

Interferometrie lost kleine details op

Het ophalen van de resultaten was alleen mogelijk via observaties met uitzonderlijk hoge resolutie, zoals aangeleverd door de VLTI. Door de vier 8,2-meter VLT-telescopen van de Paranal Observatory van de European Southern Observatory te combineren, kunnen ze details vastleggen alsof astronomen een telescoop met een hoofdspiegel van 200 meter zouden gebruiken. Varga, van Bokel en hun medewerkers hebben de gegevens verkregen met behulp van drie instrumenten om een ​​brede golflengtedekking van 1,6 tot 13 micrometer te bereiken, wat infrarood licht vertegenwoordigt.

MPIA leverde biotechnologische elementen voor twee instrumenten, GRAVITY en het Multi-Aperture Mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE). Een van Mattis' voornaamste doelen is het bestuderen van de rotsachtige planeetvormende gebieden rond jonge sterren. “Door naar de binnenkant van protoplanetaire schijven rond sterren te kijken, willen we de oorsprong van de verschillende mineralen in de schijf onderzoeken – mineralen die later de vaste componenten zullen vormen van planeten zoals de aarde”, zegt Thomas Henning, directeur en onderzoeker van MPIA. Deelnemer PI van de MATISSE-tool.

Het produceren van interferometerbeelden zoals we gewend zijn van individuele telescopen is echter niet eenvoudig en tijdrovend. Het meest efficiënte gebruik van waardevolle observatietijd om de objectstructuur te ontcijferen is het vergelijken van schaarse gegevens met modellen van mogelijke doelconfiguraties. In het geval van HD 144432 vertegenwoordigt de structuur met drie ringen de gegevens beter.

Hoe vaak komen ijzerrijke planeetvormende schijven voor?

Naast het zonnestelsel lijkt HD 144432 nog een voorbeeld te bieden van planeten die ontstaan ​​in een ijzerrijke omgeving. Astronomen zullen het daar echter niet bij laten. “We hebben nog een aantal veelbelovende kandidaten die wachten op VLTI om er nader naar te kijken”, aldus Van Bokel. Bij eerdere waarnemingen ontdekte het team een ​​aantal schijven rond jonge sterren die wijzen op configuraties die de moeite waard zijn om opnieuw te bekijken. Ze zullen echter de gedetailleerde structuur en chemie ervan onthullen met behulp van de modernste VLTI-apparaten. Uiteindelijk kunnen astronomen wellicht duidelijk maken of planeten zich doorgaans vormen in ijzerrijke stofschijven nabij hun moedersterren.

Referentie: “Mid-infrarood bewijs voor ijzerrijk stof in de binnenste multiringschijf van HD 144432” door J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. Kosbal, B. Abraham, J.-C. Augereau, P. Pollie, J. Bordarot, A. Carati of Jarati, F. Cruz Saenz de Mira, W.C. Danchi, V. Gamez Rosas, Th. Henning, K.-H. Hofman, M. Holley, JW Isbell, W. Jaffe, T. Juhasz, V. Kekskemethy, J. Cobos, E. Kokulina, L. Labadie, F. Leco, F. Mellor, A. Moor, N. Morugao, E. Pantin, D. Schertel, M. Schick, L. Van Haester,J. Weigelt, J. Wells, en B. Woytek, 8 januari 2024, Astronomie en astrofysica.
doi: 10.1051/0004-6361/202347535

De MPIA-onderzoekers die bij dit onderzoek betrokken zijn, zijn: Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (ook HUN-REN Research Center for Astronomy and Earth Sciences, Konkoli Observatory, Boedapest, Hongarije). [Konkoly]; CSFK, MTA Center of Excellence, Boedapest, Hongarije [CSFK]; ELTE Eötvös Loránd Universiteit, Boedapest, Hongarije [ELTE]), Alessio Carati of Garatti (ook INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Napels, Italië).

Andere aandeelhouders zijn: J. Varga (Concoli; CSFK; Sterrewacht Leiden, Nederland). [Leiden]), LBFM Waters (Radboud Universiteit, Nijmegen, Nederland; SRON, Leiden, Nederland), M. Hogerheijde (Leiden; Universiteit van Amsterdam, Nederland) [UVA]), A. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, Nice, Frankrijk [OCA]), B. Lopez (OCA), K. Peru (Université Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, Frankrijk [IPAG]), L. Chen (Konkoly; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Universiteit van Kiel, Duitsland [UK]), C. Dominic (UVA), P. Abraham (Konkoli; CSFK; ELTE), J.-C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica, Garching, Duitsland), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly; CSFK; Universiteit van Toulouse, Frankrijk), W. C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, VS), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hoffmann (Max Planck Instituut voor Radioastronomie, Bonn, Duitsland [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (VK), E. Kokoulina (Universiteit van Luik, België ; OCA), L. Labadie (Universiteit van Keulen, Duitsland), F. Lykou (Konkoly; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly; CSFK), N. Morujão (Universidade de Lisboa en Universidade do Porto, Portugal), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, Frankrijk), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (European Southern Observatory, Garching, Duitsland ), P. Woitke (Instituut voor Ruimteonderzoek, Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, Graz, Oostenrijk), MATISSE en GRAVITY Collaborations