Een kosmische race tegen de klok: zo verdwijnen de gasvoorraden voor nieuwe planeten

Een planeetvormende schijf die langzaam leegloopt

Rond jonge sterren bevindt zich een platte schijf van gas en stof waaruit planeten ontstaan. Die voorraad is echter niet onbeperkt: gas wordt door de ster aangetrokken, maar ook door winden en straling de ruimte in geblazen.

Een analyse van gegevens van de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) laat zien hoe dat proces in de tijd verandert. De onderzoekers bestudeerden 72 voornamelijk zogenoemde Class II-schijven: jonge, hellende protoplanetaire schijven waarin de ster al minder materiaal aantrekt dan in een nog vroegere ontwikkelingsfase. 3

De uitkomst wijst op een opeenvolging van mechanismen. Eerst overheersen krachtige, door magnetische velden aangedreven uitstromen van moleculair en atomair gas. Later, wanneer de aanwas afneemt, verzwakken deze uitstromen en krijgt straling van de ster meer vat op de resterende gasschijf. Dan kan fotoverdamping het gas geleidelijk verwijderen. 23

Wat JWST in 72 schijven zag

Met de Mid-Infrared Instrument (MIRI) van JWST onderzochten astronomen onder meer de infraroodemissie van moleculaire waterstof (H₂) en geïoniseerd neon ([Ne II]). In 66 van de 72 systemen werd ruimtelijk opgeloste emissie gevonden. De onderzoekers identificeerden kegelvormige H₂-winden in 46 schijven en snelle [Ne II]-jets in 40. 3

De twee tracers laten verschillende onderdelen van de uitstroom zien:

• H₂ brengt vooral de bredere, moleculaire wind in beeld.
• [Ne II] wijst in de jongere en actiever aangroeiende systemen vaak op een snelle, smalle jet.
• Die snelle jet kan ingebed zijn in een veel bredere en tragere moleculaire uitstroom, zoals ook in onafhankelijk JWST-onderzoek is waargenomen. 7

De combinatie past bij magnetohydrodynamische uitstromen: gas wordt langs structuren in het magnetische veld versneld en van de schijf weggeleid. In jonge systemen worden daarom vaak zowel brede H₂-winden als snelle, gebundelde neonjets gezien. 35

Van magnetische jets naar fotoverdamping

Naarmate de ster ouder wordt en minder materiaal uit de schijf aantrekt, neemt de detectie van snelle [Ne II]-jets en H₂-winden af. De hetere H₂-componenten verdwijnen sneller dan de koelere. Systemen met weinig aanwas vertonen juist vaker tragere, laag-energetische [Ne II]- en atomaire winden. 3

Dat wijst op een evolutionaire verschuiving. In de eerste miljoenen jaren zijn magnetische jets en moleculaire winden sterk genoeg om een groot deel van de hoogenergetische röntgen- en uv-straling van de jonge ster tegen te houden. Wanneer de schijf dunner wordt, kunnen die stralingsdeeltjes het oppervlak beter bereiken. Ze verhitten het gas, waarna het als een relatief rustige, voornamelijk atomaire wind ontsnapt: fotoverdamping. 23

De schijf wordt zo niet in één klap weggeblazen. Ze raakt haar gas in opeenvolgende fasen kwijt: eerst door krachtige magnetische uitstromen, later door zwakkere winden die door de straling van de ster worden aangedreven.

Waarom dit belangrijk is voor gasreuzen

Een planeet als Jupiter heeft een zeer grote voorraad gas nodig om een mantel van voornamelijk waterstof en helium op te bouwen. Zodra jets, magnetische winden en uiteindelijk fotoverdamping die voorraad hebben uitgeput, kan een vaste planeetkern niet meer uitgroeien tot een gasreus. 2

De timing van kernvorming is daarom cruciaal. Een kern die vroeg voldoende massa bereikt, kan snel gas aantrekken en een reusachtige planeet worden. Een vergelijkbare kern die pas later klaar is, treft mogelijk een schijf die al grotendeels is leeggelopen. Die planeet blijft dan kleiner en houdt weinig van haar oorspronkelijke atmosfeer over. Dit is een gevolgtrekking uit de waargenomen ontwikkelingsvolgorde van de schijven, geen directe waarneming van planeten die van type veranderen. 23

Ook ons zonnestelsel, dat ongeveer 4,5 tot 4,6 miljard jaar oud is, moet ooit door zulke fasen zijn gegaan. Jupiter heeft zijn omvangrijke gasmantel dus waarschijnlijk in de eerste paar miljoen jaar gevormd, voordat de jonge zonnenevel door uitstromen en straling werd opgeruimd. 2

Hoe lang duurt het opruimen precies?

De survey laat overtuigend zien dat de aanwezigheid en vorm van jets en winden veranderen naarmate jonge sterren ouder worden. De metingen bepalen echter nog niet volledig hoeveel massa elke afzonderlijke uitstroom daadwerkelijk afvoert.

Vervolgonderzoek moet moleculaire en atomaire tracers zowel ruimtelijk als in snelheid kunnen onderscheiden. Daarmee willen astronomen bepalen:

• hoeveel massa iedere jet of wind wegvoert;
• uit welke afstanden en verticale lagen van de schijf de uitstromen afkomstig zijn;
• welke temperaturen en snelheden de winden hebben en hoe die veranderen; en
• hoe lang het opruimen van het gas werkelijk duurt, en dus hoe lang het venster voor de vorming van gasreuzen openblijft. 34

De beschikbare gegevens ondersteunen daarom nog geen universele, precieze deadline voor het verdwijnen van alle gas uit protoplanetaire schijven. Wel maken ze duidelijk waarom planeetvorming een race tegen de klok kan zijn.