NASA’s Webb Space Telescope detecteert waterdamp in het Rocky Planet Formation-gebied

De ontdekking toont aan dat er een reservoir met water beschikbaar is voor terrestrische planeten die daar zouden kunnen samenvloeien.

Water, water, overal – niet in druppels, maar als stoom. wetenschappers gebruiken NASA‘S James Webb-ruimtetelescoop Ze ontdekten dat dorstige planeten in het PDS 70-systeem toegang hebben tot een waterreservoir. Het belangrijkste was dat de waterdamp werd gevonden binnen 100 miljoen mijl van de ster – het gebied waar terrestrische planeten zoals de aarde zich zouden kunnen vormen. (De aarde draait ongeveer 93 miljoen mijl van onze zon.)

PDS 70 is veel koeler dan onze zon, met een geschatte leeftijd van 5,4 miljoen jaar. Het is de thuisbasis van twee bekende gasreuzenplaneten, waarvan er tenminste één nog steeds materiaal verzamelt en groeit. Dit is de eerste detectie van water in het terrestrische gebied van een schijf waarvan al bekend is dat deze twee of meer protoplaneten herbergt.

Het protoplanetaire schijfspectrum van PDS 70, verkregen met Webb’s MIRI (mid-infrared instrument), vertoont een aantal emissielijnen van waterdamp. Wetenschappers hebben vastgesteld dat er water aanwezig is in de binnenste schijf van het systeem, op afstanden van minder dan 160 miljoen kilometer van de ster — het gebied waar rotsachtige en terrestrische planeten zouden kunnen ontstaan. Krediet: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

De Webb Space Telescope detecteert waterdamp in het vormingsgebied van de rotsachtige planeet

Water is essentieel voor het leven zoals wij dat kennen. Hoe water op aarde terechtkwam en of dezelfde processen de zaden konden zaaien van rotsachtige exoplaneten die rond verre sterren cirkelen, blijven echter onderwerp van wetenschappelijk debat. Deze discussies kunnen baat hebben bij nieuwe inzichten van het planetaire systeem PDS 70, dat zich op een afstand van 370 lichtjaar bevindt. Dit sterrenstelsel omvat een binnen- en buitenschijf van gas en stof, gescheiden door een opening van 5 miljard mijl (of 8 miljard kilometer). Twee bekende gasreuzenplaneten bevinden zich in deze opening.

Nieuwe gegevens verzameld door de MIRI (mid-infrared instrument) van NASA’s James Webb Space Telescope onthulden waterdamp in de binnenste schijf van het systeem, op afstanden van minder dan 160 miljoen kilometer van de ster – het gebied waar rotsachtige en terrestrische planeten zich kunnen vormen. (De aarde draait ongeveer 93 miljoen mijl van onze zon.) Opgemerkt moet worden dat dit de eerste keer is dat water is gedetecteerd in het terrestrische gebied van een schijf waarvan al is bevestigd dat deze twee of meer protoplaneten herbergt.

“We hebben water in andere schijven gezien, maar niet zo dicht bij een systeem waar planeten momenteel clusteren. We hebben dit soort metingen niet kunnen doen vóór Webb”, zegt hoofdauteur Giulia Perotti van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland.

“Deze ontdekking is erg opwindend, omdat het de regio verkent waar rotsachtige, aardachtige planeten gewoonlijk worden gevormd”, voegde MPIA-directeur Thomas Henning, een co-auteur van het artikel, toe. Henning is de co-hoofdonderzoeker van het MIRI-programma (Mid-Infrared Disk Survey) van Webb, dat de detectie deed, en de hoofdonderzoeker van het MINDS-programma (MIRI Mid-Infrared Disk Survey), dat de gegevens verzamelde.

Stomende omgeving voor planeetvorming

PDS 70 is een K-type ster, die veel koeler is dan onze zon, met een geschatte leeftijd van 5,4 miljoen jaar. Dit is relatief oud in termen van sterren met planeetvormende schijven, wat de ontdekking van waterdamp verrassend maakte.

Na verloop van tijd neemt het gas- en stofgehalte van de planeetvormende schijven af. Of de straling en winden van de centrale ster blazen dergelijk materiaal weg, of het stof groeit uit tot grotere lichamen die uiteindelijk planeten vormen. Omdat eerdere studies er niet in slaagden water te detecteren in de centrale delen van schijven van vergelijkbare leeftijd, vermoedden astronomen dat het de harde stellaire straling misschien niet zou overleven, wat zou leiden tot een droge omgeving voor de vorming van rotsachtige planeten.

Astronomen hebben nog geen planeten gedetecteerd die zich vormen binnen de binnenste schijf van PDS 70. Ze zien echter wel de grondstoffen voor het bouwen van rotsachtige werelden in de vorm van silicaten. De ontdekking van waterdamp suggereert dat als zich daar rotsachtige planeten zouden vormen, ze vanaf het begin water tot hun beschikking zouden hebben gehad.

We vonden een vrij grote hoeveelheid kleine stofdeeltjes. Naast onze ontdekking van waterdamp, is de binnenste schijf een zeer opwindende plek om te zijn, zei co-auteur Renz Waters van de Radboud Universiteit in Nederland.

Wat is de oorsprong van water?

Deze ontdekking roept de vraag op naar de bron van het water. Het MINDS-team keek naar twee verschillende scenario’s om hun bevindingen te verklaren.

Een mogelijkheid is dat watermoleculen zich op hun plaats vormen, zoals we ze detecteren, wanneer waterstof- en zuurstofatomen recombineren. Een tweede mogelijkheid is dat de met ijs bedekte stofdeeltjes van de koude buitenschijf naar de hete binnenschijf bewegen, waar het waterijs sublimeert en in damp verandert. Dit transportsysteem zou verrassend zijn, aangezien het stof de enorme kloof zou moeten oversteken die door de twee gigantische planeten is gevormd.

Een andere vraag die door deze ontdekking wordt opgeworpen, is hoe water zo dicht bij een ster kan overleven, wanneer het ultraviolette licht van de ster alle watermoleculen moet breken. Hoogstwaarschijnlijk fungeren omringende materialen zoals stof en andere waterdeeltjes als een beschermend schild. Als gevolg hiervan zou water dat in de binnenste schijf van PDS 70 werd gedetecteerd, aan vernietiging kunnen ontsnappen.

Uiteindelijk zal het team twee andere Webb-instrumenten gebruiken, NIRCam (Near Infrared Camera) en NIRSpec (Near Infrared Spectrometer), om PDS 70 te bestuderen in een poging meer begrip te krijgen.

Deze waarnemingen zijn gedaan als onderdeel van het programma Guaranteed Time Observation 1282. Deze bevinding is gepubliceerd in het tijdschrift natuur.

Referentie: “Water in the planet-forming region of PDS 70” door G. Perotti, V. Christiaens, Th. Henning, B. Tabone, LBFM, Waters, I. Camp, G. Lagage, T. P. Ray, B. Vandenbussche, A. Abergel, O. Absil, A. M. Arabhavi, I. Argyriou, D. Barrado, A. Boccaletti, A. Caratti o Garatti, V. Geers, A. M. Glauser, K. Justannont, F. Lahuis, M. Onn, N. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06317-9

De James Webb Space Telescope is ’s werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium. Webb lost mysteries in ons zonnestelsel op, kijkt verder naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt mysterieuze structuren en de oorsprong van het universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma geleid door NASA met zijn partner, ESA (Europees Ruimteagentschap) en de Canadian Space Agency.