Protoplanetaire schijf: de kraamkamer van planeten
Rond bijna elke jonge ster draait ooit een platte, ronddraaiende schijf van gas en stof: een protoplanetaire schijf. Het is de plek waar planeten ontstaan, inclusief ooit onze eigen Aarde. Je kunt het vergelijken met pizzadeeg dat een pizzabakker in de lucht laat draaien: door de draaiing wordt een bal deeg vanzelf een platte schijf. Zo gebeurt het ook met de wolk van gas en stof die instort om een nieuwe ster te vormen, alleen duurt dat proces geen seconden maar honderdduizenden jaren.
In die schijf botsen stofkorreltjes, plakken aan elkaar en groeien in de loop van miljoenen jaren uit tot kiezels, rotsblokken en uiteindelijk planeten. Astronomen bestuderen protoplanetaire schijven daarom niet alleen om te snappen hoe ons zonnestelsel is ontstaan, maar ook om te begrijpen hoe de duizenden exoplaneten die inmiddels zijn ontdekt hun oorsprong vonden. Sinds telescopen als ALMA in Chili scherp genoeg zijn geworden, kunnen we deze schijven voor het eerst in detail fotograferen, met verbluffende ringen en kloven als resultaat.
Wat is het precies?
Een protoplanetaire schijf ontstaat wanneer een dichte wolk van gas en stof in de ruimte, een zogeheten molecuulwolk, onder zijn eigen zwaartekracht instort. Zulke wolken draaien altijd een heel klein beetje, net zoals bijna elk object in het heelal. Als de wolk kleiner wordt, gaat die draaiing sneller, om dezelfde reden dat een kunstschaatser sneller draait wanneer ze haar armen intrekt. Natuurkundigen noemen dit behoud van impulsmoment.
Door die snellere draaiing kan het materiaal niet zomaar recht naar het centrum vallen. Loodrecht op de draaias, boven en onder, valt het materiaal wel samen, waardoor uiteindelijk een platte, schijfvormige structuur overblijft met een jonge ster in het midden. Deze fase duurt typisch enkele miljoenen jaren.
De schijf bestaat voor het grootste deel, zo'n 99 procent, uit gas: vooral waterstof en helium. De rest is stof, minuscule korreltjes van silicaten, koolstofverbindingen en ijs, vergelijkbaar met roet of zand. Dichter bij de ster is het te heet voor ijs, verder weg, voorbij de zogeheten sneeuwlijn, kan waterijs wel bevriezen op stofkorrels. Die grens bepaalt mede waarom het binnenste van ons zonnestelsel rotsplaneten heeft en het buitenste gasreuzen.
Binnen de schijf botsen stofkorreltjes voortdurend met elkaar. Sommige botsingen zorgen dat ze aan elkaar plakken door elektrostatische krachten, vergelijkbaar met hoe stof aan een ballon blijft plakken. Zo groeien de korreltjes van submicroscopisch stof naar kiezelsteentjes. Vanaf dat punt nemen andere krachten het over, zoals lokale concentraties door turbulentie in het gas, waardoor kiezels zich kunnen ophopen tot kilometersgrote planetesimalen: de bouwstenen van planeten. Die planetesimalen trekken elkaar vervolgens aan door zwaartekracht en groeien verder uit tot planeten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van dit onderzoeksveld is fundamenteel: begrijpen hoe planetenstelsels, inclusief het onze, ontstaan. Lange tijd kon dat alleen indirect, door te reconstrueren wat er in ons zonnestelsel gebeurd moet zijn op basis van meteorieten, planeetbanen en de samenstelling van planeten. Nu telescopen protoplanetaire schijven bij andere sterren rechtstreeks kunnen waarnemen, kunnen astronomen dat proces als het ware live volgen, bij sterren van verschillende leeftijden en massa's.
Een tweede drijfveer is de explosieve groei van de exoplaneetkunde. Sinds de jaren negentig zijn er duizenden planeten rond andere sterren ontdekt, met een verrassende diversiteit: hete Jupiters vlak bij hun ster, superaardes die niet in ons eigen stelsel voorkomen, en ijzige minineptunussen. Om te verklaren waarom planetenstelsels zo van elkaar verschillen, moet je weten hoe de schijf waarin ze ontstonden eruitzag: hoeveel massa, welke chemische samenstelling, hoe stabiel.
Daarnaast speelt de vraag naar de oorsprong van leven mee. Protoplanetaire schijven bevatten complexe organische moleculen, de bouwstenen van aminozuren en andere voor leven relevante stoffen. Onderzoekers willen weten of en hoe die moleculen via kometen en planetesimalen op jonge planeten terechtkomen, en of dat proces overal in de Melkweg vergelijkbaar verloopt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest invloedrijke voorbeeld is de opname van de schijf rond HL Tauri, gepubliceerd in 2014 door de ALMA-radiotelescoop in Chili. Voor het eerst zag men duidelijke concentrische ringen en donkere kloven in een protoplanetaire schijf, vermoedelijk uitgesneden door planeten in wording. Het beeld ging de wereld over en veranderde in één klap het beeld dat astronomen van schijfstructuur hadden.
Bij de ster PDS 70, zo'n 370 lichtjaar van de Aarde, lukte het onderzoekers in 2018 en 2019 voor het eerst om twee planeten in aanbouw, PDS 70b en PDS 70c, rechtstreeks te fotograferen binnen de kloof van de omringende schijf, met de Very Large Telescope van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). Dit geldt nog altijd als het meest overtuigende directe bewijs van planeetvorming binnen een schijf.
Het DSHARP-project (Disk Substructures at High Angular Resolution Project), uitgevoerd met ALMA en gepubliceerd in 2018, bracht twintig nabije protoplanetaire schijven in hoge resolutie in kaart. Het liet zien dat ringen en kloven eerder regel dan uitzondering zijn.
De schijf rond TW Hydrae, een van de dichtstbijzijnde en meest bestudeerde jonge sterren, wordt al sinds begin jaren 2000 gebruikt als testcase voor modellen van stof- en gasverdeling, en toonde eveneens ringstructuren die mogelijk wijzen op verborgen planeten.
Meer recent heeft de James Webb-ruimtetelescoop, operationeel sinds 2022, de chemische samenstelling van protoplanetaire schijven in ongekend detail in kaart gebracht, waaronder de ontdekking in 2023 van waterdamp en organische moleculen in de binnenste, rotsplaneet-vormende zones van meerdere schijven.
Hoe ver is de techniek?
Het observeren van protoplanetaire schijven heeft de afgelopen vijftien jaar een enorme sprong gemaakt, vooral dankzij ALMA, dat sinds 2011 volledig operationeel is en dankzij zijn netwerk van radioschotels in de Chileense Atacamawoestijn scherpere beelden van koud stof en gas kan maken dan welke telescoop daarvoor. Ook infraroodinstrumenten zoals SPHERE op de VLT en, sinds 2022, JWST hebben de mogelijkheden sterk uitgebreid.
Toch blijven er grote hiaten. Het rechtstreeks waarnemen van een planeet terwijl die daadwerkelijk vormt, zoals bij PDS 70, is nog zeldzaam: de meeste vermeende planeten worden alleen indirect afgeleid uit ringen en kloven in de schijf, niet rechtstreeks gezien. Bovendien is er een hardnekkig theoretisch probleem, de zogeheten 'radial drift barrier': modellen voorspellen dat kiezelstenen van centimeter- tot metergrootte binnen enkele honderden jaren naar de ster toe zouden moeten spiraliseren en verdampen, sneller dan ze tot planetesimalen kunnen groeien. Mechanismen als de 'streaming instability', waarbij lokale concentraties van kiezels elkaars weerstand tegen het gas verminderen en zo snel samenklonteren, worden gezien als mogelijke oplossing, maar zijn nog niet volledig experimenteel bevestigd.
Ook de levensduur van schijven staat ter discussie: waarnemingen tonen dat de meeste protoplanetaire schijven binnen drie tot tien miljoen jaar verdwenen zijn doordat het gas wegstraalt of op de ster valt, wat een strak tijdsbestek zet voor het vormen van gasreuzen zoals Jupiter. Het veld ontwikkelt zich dus snel op het gebied van waarnemingen, maar de theoretische puzzels van planeetvorming zijn nog niet opgelost.
Wie werken eraan?
De Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), die ALMA mede beheert samen met de Amerikaanse National Radio Astronomy Observatory (NRAO) en het Japanse National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), speelt een centrale rol in dit onderzoeksveld. Ook NASA en de Europese ruimtevaartorganisatie ESA dragen bij, met name via de James Webb-ruimtetelescoop.
Nederland heeft een opvallend sterke traditie in dit onderzoek. De Sterrewacht Leiden geldt internationaal als een van de toonaangevende centra voor onderzoek naar schijfchemie en planeetvorming, mede dankzij het werk van astronome Ewine van Dishoeck, die voor haar onderzoek naar de chemie van protoplanetaire schijven in 2018 de Kavli-prijs ontving. Ook de Radboud Universiteit Nijmegen en het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek (SRON) zijn actief betrokken.
Internationaal leveren onder meer het Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg, de universiteiten van Arizona en Exeter, en het California Institute of Technology (Caltech) belangrijke bijdragen, vaak gefinancierd via Europese ERC-beurzen, de Amerikaanse National Science Foundation of nationale onderzoeksraden zoals het Nederlandse NWO.