James Webb laat zien: planeten moeten snel groeien voordat hun gas verdwijnt

Het materiaal waaruit een gasreus ontstaat, is maar tijdelijk beschikbaar. Jonge sterren worden omringd door roterende protoplanetaire schijven: platte wolken van gas en stof waaruit planeten groeien. Maar die schijven blijven niet eeuwig bestaan. Jets, winden, materiaal dat op de ster valt en straling van de ster voeren hun inhoud geleidelijk af.

Een onderzoeksteam onder leiding van Naman Bajaj van de University of Arizona heeft dat proces met gegevens van de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) in kaart gebracht. Voor de studie werden archiefwaarnemingen van Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI) gebruikt. De onderzoekers bekeken 72 sterk hellende, voornamelijk zogenoemde Class II-schijven rond jonge sterren die vergelijkbaar zijn met de zon. De resultaten zijn gepubliceerd in The Astronomical Journal en laten zien dat de manier waarop schijven gas verliezen verandert naarmate ze ouder worden. 12

De kern: een planetenkiem moet sneller groeien dan de schijf verdwijnt

Een rotsachtige planetenkern kan alleen uitgroeien tot een gasreus als hij een omvangrijke atmosfeer van waterstof en helium weet aan te trekken terwijl de omringende schijf nog voldoende gas bevat. Wordt de schijf eerder leeggeblazen, dan kan de kern rotsachtig blijven of eindigen als een kleinere planeet met weinig gas.

Gasreuzen ontstaan daardoor in een soort kosmische race: de snelle groei van hun atmosfeer tegenover het verdwijnen van het gasreservoir. 12

Dat is vooral relevant voor planeten zoals Jupiter. De studie kan niet vaststellen op welke exacte datum Jupiter ontstond, maar bevestigt wel de belangrijkste voorwaarde: zijn kern en omvangrijke atmosfeer moeten zijn gevormd toen het jonge zonnestelsel nog over een aanzienlijke gasschijf beschikte. 12

Wat Webb in de 72 schijven zag

De onderzoekers gebruikten infraroodstraling van moleculen en atomen als aanwijzing voor materiaal dat uit de schijven stroomt. In 66 van de 72 systemen werd uitgestrekte emissie van moleculaire waterstof of geïoniseerd neon waargenomen. Het team identificeerde:

• 46 kegelvormige winden van moleculaire waterstof, die bredere uitstromen van schijfmateriaal zichtbaar maken.
• 40 snelle jets van geïoniseerd neon, die wijzen op smallere en sneller bewegende gasstromen.

Elk systeem waarin een jet van geïoniseerd neon werd gezien, vertoonde ook aanwijzingen voor een bredere wind. In de meeste gevallen werd die wind opgespoord via moleculaire waterstof; in de overige systemen via atomair zuurstof. Die combinatie verbindt de smalle, snelle jet met een wijder verspreid proces dat gas uit de planeetvormende omgeving kan verwijderen. 2

De 72 schijven zijn niet één systeem dat Webb doorlopend van geboorte tot volwassenheid heeft gevolgd. Het gaat om verschillende systemen in uiteenlopende ontwikkelingsfasen. Door ze met elkaar te vergelijken, ontstaat een evolutionaire volgorde: een reeks stilstaande beelden waarmee onderzoekers proberen te reconstrueren hoe het opruimen van de schijf in de tijd verandert. 12

Eerst magnetische jets, later straling

Het patroon past bij twee brede fasen die elkaar opvolgen tijdens de eerste miljoenen jaren van een planetenstelsel. 1

Vroege fase: magnetische jets en moleculaire winden

Systemen waarin de ster veel materiaal aantrekt, vertoonden vaker jets en moleculaire winden. Dat past bij een vroege fase waarin magnetohydrodynamische — door magnetische velden aangedreven — jets en winden een belangrijke rol spelen bij het verwijderen van schijfmateriaal. De uitstromen voeren gas af terwijl de schijf de jonge ster nog actief voedt. 12

Voor een groeiende planetenkern is dit het gevaarlijke deel van de race. Er is nog veel gas beschikbaar, maar dezelfde dynamische omgeving begint dat gas ook weg te voeren.

Latere fase: zwakkere jets en verlies door straling

Wanneer de toevoer van materiaal naar de ster afneemt, worden de jets zwakker. De warmere moleculaire windsignalen verdwijnen het eerst, waarna de overgebleven uitstromen steeds meer een atomair karakter krijgen. De onderzoekers interpreteren deze latere toestand als een fase waarin straling van de ster — waaronder fotoverdamping — belangrijker wordt bij het opruimen van de dunnere schijf. 12

Dat betekent niet dat het ene mechanisme van het ene op het andere moment plaatsmaakt voor het andere. De verhouding tussen de verschillende processen verschuift geleidelijk naarmate het ster-schijfsysteem evolueert. De waargenomen overgang helpt bepalen wanneer die verandering plaatsvindt, al geven de huidige detecties nog geen volledige begroting van hoeveel massa elke wind precies verwijdert. 12

Waarom het ene systeem wel een gasreus krijgt en het andere niet

De resultaten bieden een mogelijke verklaring voor de grote variatie tussen planetenstelsels. Een systeem kan een gasreus voortbrengen als een kern vroeg genoeg voldoende massa bereikt om snel een atmosfeer aan te trekken. In een ander systeem kan het grootste deel van het schijfgas al verdwenen zijn voordat die drempel wordt gehaald.

De uitkomst kan afhangen van onder meer de massa van de schijf, de snelheid waarmee de kern groeit, de geschiedenis van de toestroom naar de ster, de sterkte van magnetische uitstromen en de hoeveelheid energierijke straling van de ster. De studie ondersteunt het idee dat door winden aangedreven schijfverdamping een belangrijke factor is, maar niet de enige die bepaalt of een gasreus ontstaat. 2

Ook ons eigen zonnestelsel past in dat beeld. Het is ongeveer 4,6 miljard jaar oud en de oorspronkelijke planeetvormende schijf is al lang verdwenen. De planeten die we nu zien, zijn daarmee het resultaat van een vroege en relatief korte strijd tussen groeiende planeten, materiaal dat op de jonge zon viel en gas dat via jets, winden en straling ontsnapte. 12

Wat de onderzoekers nu willen meten

Weten welke soorten uitstromen in welke ontwikkelingsfase voorkomen, is een belangrijke eerste stap. Maar alleen hun aanwezigheid vertelt nog niet of ze genoeg gas verwijderden om de planeetvorming daadwerkelijk te sturen. Het team wil daarom de massaverliessnelheid van elke wind bepalen en vaststellen op welke afstanden van de ster — dus vanuit welke delen van de schijf — de winden worden gelanceerd. 12

Die metingen kunnen de infraroodsignalen koppelen aan een veel concretere vraag: kunnen de waargenomen uitstromen het schijfgas snel genoeg verwijderen om de kans op een Jupiterachtige planeet te veranderen? Het antwoord moet helpen bepalen of de waargenomen ontwikkeling alleen een aannemelijk scenario is, of ook rechtstreeks laat zien hoe het verdwijnen van schijfgas de uiteindelijke opbouw van planetenstelsels vastlegt.