Wat was er eerder: water of planeten?
Is er in een planeetvormende schijf al water aanwezig voordat rotsachtige planeten ontstaan? Daar heeft de James Webb Space Telescope misschien bewijs voor gevonden. De ruimtetelescoop heeft voor het eerst water waargenomen in de binnenste schijf rond een jonge ster waar op grotere afstand al reuzenplaneten zijn gevormd. Het onderzoek vond plaats binnen de MINDS-samenwerking onder leiding van het Max Planck Institute for Astronomy. Ook astronomen van de Universiteit Leiden, de Radboud Universiteit en de Rijksuniversiteit Groningen droegen bij. Ze delen hun bevindingen in Nature.
Het gaat om de binnenste schijf van gas en stof rond de jonge ster PDS 70, op 370 lichtjaar van de aarde. Astronomen verwachten dat er in die zone aardachtige planeten kunnen vormen. Op grotere afstand van de ster zijn namelijk al reuzenplaneten gevormd.
Dit is de eerste waarneming van water in een stadium waarin de schijf het meeste materiaal al heeft verloren. 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. Dit zou de kans op ‘leefbaarheid’ van deze planeet in een later stadium verhogen.
Hoe komt water op een planeet terecht?
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 buiten ons zonnestelsel leefbaar zou kunnen maken. De breedst gedragen theorie is dit water op planeten terechtkomt doordat planetoïden met watermoleculen ‘aan boord’ het oppervlak van een jonge planeet bombarderen. ‘Maar we hebben nu misschien bewijs gevonden dat water ook kan dienen als een van de eerste ingrediënten van rotsachtige planeten. En zo kan het al direct na hun geboorte beschikbaar zijn', zegt Giulia Perotti, astronoom aan MPIA en hoofdauteur van het artikel.
‘In een vergelijkbare zone als onze aarde’
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).
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. Door rond hun moederster te draaien en daarbij stof en gas te verzamelen, hebben deze planeten als het ware een pad schoongeveegd in de stofvormige schijf. Hier is bijna geen waarneembaar materiaal meer.
Over MINDS
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 vormen.
‘Stofarme schijven toch niet zo droog als we eerder dachten’
PDS 70 is een relatief oude schijf van 5,4 miljoen jaar oud. Het gas- en stofgehalte is daarom laag. Stof en waterdamp verdwijnen of door straling van de centrale ster of de sterrewind, óf het stof groeit uit tot grotere objecten die uiteindelijk planeten vormen.
‘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.’
Omdat eerdere studies geen water hebben gevonden in de centrale regio's van vergelijkbare schijven, vermoedden astronomen dat water de straling van de ster misschien niet zou overleven. Daardoor zou een omgeving ontstaan waarin alleen 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.’
Uitzondering of regel?
De astronomen onderzoeken momenteel meerdere theoriën over de oorsprong van het water. Ze kijken reikhalzend uit naar een nieuwe reeks JWST-waarnemingen met gedetailleerde beelden van de binnenste schijf van PDS 70. Ze hopen dat de structuur van de schijf hints zal geven over aardse planeten of de wat grotere ‘sub-Neptunussen’ die in het waterreservoir zouden kunnen vormen.
De voortgang van het MINDS-programma zal uiteindelijk uitwijzen of water vaker voorkomt in de zones waar aardachtige planeten kunnen vormen, of dat PDS 70 slechts een uitzondering is.
Over MIRI
De Mid-InfraRed Instrument, oftewel MIRI is een infraroodspectrometer waarmee we dwars door ruimtestof heen kunnen kijken. Een spectrometer vangt het licht op dat een ruimteobject uitzendt en rafelt het uiteen in de verschillende aanwezige golflengtes. De vingerafdruk van golflengtes die zo ontstaat, bevat belangrijke informatie over de objecten. MIRI kant licht ‘zien’ in het midden-infraroodspectrum, met golflengtes die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog.
MIRI is gebouwd in een partnerschap tussen Europa en de VS. De Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA), waar ook de Leidse Sterrewacht deel van uitmaakt, was verantwoordelijk voor de hoofdoptiek van de MIRI-spectrometer. ASTRON en TNO waren onderaannemers, met bijdragen van SRON. De Nederlandse onderzoeksfinancier NWO leverde financiële steun.
Wetenschappelijk artikel:
G. Perotti et al., ‘Water in the terrestrial zone of the PDS 70 disk’, Nature (2023). https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9
Dit bericht is een verkorte versie van het persbericht van NOVA – MIRI op JWST vindt water in zone rond ster waar rotsachtige planeten kunnen vormen.
Beeld: ESO/A. Müller et al.