van protoplanetaire schijf tot planetenstelsel

van protoplanetaire schijf
tot planetenstelsel
enkele hypotheses en vragen
uit het hedendaags onderzoek
Bram Acke
Overzicht
planetenstelsels
- ons zonnestelsel
- exoplaneten
detectiemethoden
protoplanetaire schijven
- ontstaan
- geometrie
- chemische samenstelling
planeetvorming: stofevolutie
- observaties
- theorie
- HD 100546
Overzicht
planetenstelsels
- ons zonnestelsel
- exoplaneten
detectiemethoden
protoplanetaire schijven
- ontstaan
- geometrie
- chemische samenstelling
planeetvorming: stofevolutie
- observaties
- theorie
- HD 100546
Planetenstelsels
ons zonnestelsel
tellurische planeetjes
(< 5AU)
gasreuzen
(5-30 AU)
ijsdwergen
(>30AU)
Planetenstelsels
Exoplaneten
±160 tot vandaag
detecties op basis van
- radiale-snelheidsvariaties
- planetaire transits
- directe detectie
Planetenstelsels
Radiale-snelheidsvariaties:
ster en planeet draaien rond
gemeenschappelijk massacentrum
ster beweegt afwisselend “naar ons toe” en “van ons weg”
Planetenstelsels
Radiale-snelheidsvariaties:
veranderende absorptielijnen in spectrum
wegens Dopplereffect
tijd
Planetenstelsels
Planetaire transits:
zoals Venusovergang
de helderheid van de ster neemt tijdelijk
en periodiek af
Planetenstelsels
Directe detectie:
een echte “foto” van de planeet
(voorlopig slechts 1 mogelijke kandidaat)
Planetenstelsels
Exoplaneten
±160 tot vandaag
detecties op basis van
- radiale-snelheidsvariaties
- planetaire transits
- directe detectie
↓
voorkeur voor grote, massieve exoplaneten
Overzicht
planetenstelsels
- ons zonnestelsel
- exoplaneten
detectiemethoden
protoplanetaire schijven
- ontstaan
- geometrie
- chemische samenstelling
planeetvorming: stofevolutie
- observaties
- theorie
- HD 100546
Protoplanetaire schijven
Waar en hoe ontstaan planetenstelsels?
↓
bestudeer de voorgangers:
circumstellaire schijven
Protoplanetaire schijven
Ontstaan van circumstellaire schijven
in elkaar stuikende wolk van gas en moleculen
Protoplanetaire schijven
Ontstaan van circumstellaire schijven
massa-inval vanuit de wolk op de schijf
en vanuit de schijf op de protoster
+
bipolaire massa-uitstroom
ACTIEVE SCHIJF
Protoplanetaire schijven
Ontstaan van circumstellaire schijven
“massa-accretie” vermindert drastisch
PASSIEVE SCHIJF
Protoplanetaire schijven
Ontstaan van circumstellaire schijven
vorming van grotere objecten (planeten?)
+ schijf wordt gas-arm
“PUINSCHIJF”
Protoplanetaire schijven
Ontstaan van circumstellaire schijven
Protoplanetaire schijven
eigenschappen van (passieve) schijven
- geometrie
- chemische samenstelling
Protoplanetaire schijven
geometrie
observaties
gebaseerd op de “Spectrale Energie Distributie” (SED)
UV
zichtbaar
licht
infrarood
Protoplanetaire schijven
geometrie
observaties
2 types van Spectrale Energie Distributie
≈
≈
≠
Protoplanetaire schijven
geometrie
hoe van observaties naar schijfmodel?
hou rekening met:
1) ster is rechtstreeks zichtbaar
weinig stof in de gezichtslijn
2) er is een grotere hoeveelheid stof
van ~50K in groep I bronnen
3) het nabij-IR exces is gelijkaardig
in groep I en II
Protoplanetaire schijven
geometrie
Obs.:
“geopende schijf”
Model:
“schaduwschijf”
Protoplanetaire schijven
geometrie
zichtbare circumstellaire schijven
zijn helemaal anders dan
de ringen van Saturnus
rotsblokken (~m)
“dik”
zeer kleine stofdeeltjes
(~μm-mm)
“dun”
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
de massa van een schijf bestaan voor
~99% uit gas
~1% stof
gas: atomen + H2, CO, OH, H2O, ...
stof: silicaten (SiO's), koolstofrijk stof (C)
tussenliggend: grote molecule-structuren
zoals polyaromatische koolwaterstoffen
(PAK's)
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
in een circumstellaire schijf hebben het gas,
het stof en de moleculen elk hun “taak”
stof + grote moleculen:
absorberen makkelijk sterlicht +
straalt makkelijk infrarood licht uit
→ bepalen temperatuursverdeling
gas:
zorgt voor de drukkracht
→ bepaalt de dichtheidsstructuur
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
zonder gas stuikt de schijf in elkaar
omdat enkel het gas een significante
drukkracht kan ontwikkelen
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
gas, stof en grote moleculen hebben elk
een typerende diagnostische waarde
waardoor verschillende fysische fenomenen
in de schijf bestudeerd kunnen worden
bv. gas → dynamische eigenschappen
(rotatie, massa-inval/uitstroom)
stof → deeltjesgrootte
grote moleculen → thermische balans,
koelingsprocessen
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
belangrijkste bestanddelen van het stof
op basis van gedetecteerde signaturen in IR spectra
PAK
C-rijk
silicaten
O-rijk
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
belangrijkste bestanddelen van het stof
silicaten (SiO-verbindingen + Fe en Mg)
amorf
kristallijn
forsteriet
olivijn
kwarts
enstatiet
pyroxeen
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
belangrijkste bestanddelen van het stof
koolstof (C-verbindingen)
amorf
kristallijn
diamant
amorf koolstof
grafiet
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
belangrijkste bestanddelen van het stof
polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAKs)
H
C6
Protoplanetaire schijven
chemische samenstelling
belangrijkste bestanddelen van het stof
andere: ijzersulfide (FeS)
amorf
kristallijn
Overzicht
planetenstelsels
- ons zonnestelsel
- exoplaneten
detectiemethoden
protoplanetaire schijven
- ontstaan
- geometrie
- chemische samenstelling
planeetvorming: stofevolutie
- observaties
- theorie
- HD 100546
Planeetvorming?
Hoe kunnen zich uit stofdeeltjes van
μm-grootte uiteindelijk planeten vormen
die zo massief zijn dat ze gas gravitationeel
aan zich kunnen binden?
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
interstellaire wolk
zeer kleine deeltjes (sub-μm!)
geen stofgroei wegens zeer lage dichtheden
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
circumstellaire schijf
allerlei deeltjesgroottes:
kleine deeltjes (μm)
tot deeltjes veel groter dan mm
is er een evolutionaire link?
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
“puinschijf”
er zijn nog kleine deeltjes,
maar zeer weinig. het merendeel van
de stofmassa zit misschien in
grotere objecten zoals kometen/planetisimalen.
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
planetenstelsel
de schijf is verdwenen. een planetenstelsel
is gas- en kleine-deeltjes-arm.
Bijna alle massa bevindt zich in
grote (>m) objecten.
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
stofkorrelgroei
in het schijfoppervlak
emissieefficiëntie
stofkorrelgroei in schijven?
momenteel: 2 types aanwijzingen
stofkorrelgroei
in het middenvlak
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
stofkorrelgroei in het schijfoppervlak
emissiesignaturen in IR spectra
komen van de hetere
buitenlaag van de schijf
= het schijfoppervlak
ze geven geen toegang tot
de stofeigenschappen
van dieperliggende lagen
0.1μm olivijn
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
stofkorrelgroei in het schijfoppervlak
verband tussen sterkte en vorm
van de spectrale signatuur:
sterkte ↓ → breedte ↑
kan wijzen op deeltjesgroei
van micrometer-grote korrels
in het schijfoppervlak
2.0 μm olivijn
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
stofkorrelgroei in het middenvlak van de schijf
bij mm-golflengtes wordt de hele schijf
“doorzichtig”: alle emitterende deeltjes
worden zichtbaar
in het middenvlak zitten
veruit de meeste deeltjes
die op mm-golflengtes stralen
(hoge dichtheid, lage temperatuur)
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
>> 1mm; 1μm-1mm; <<1μm
groep
deeltjes die klein
zijnII
tov de golflengte
absorberen en emitteren
moeilijker bij die golflengte.
groep
I
voor grote
deeltjes
is
de emissie-efficiëntie
onafhankelijk
van de golflengte
emissieefficiëntie
emissieefficiëntie
stofkorrelgroei in het middenvlak van de schijf
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
stofkorrelgroei in het middenvlak van de schijf
emissieefficiëntie
groep II
groep I
de meeste schijven vertonen
de kenmerken van stofdeeltjes
die aanzienlijk groter zijn
dan 1 μm.
!EN!
er is een verband tussen
de schijfgeometrie en
de deeltjesgrootte!
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
CONCLUSIE
stofkorrelgroei in de schijf
grote of kleine korrels
onafhankelijk van geometrie
kleine korrels (< mm)
grote korrels (>> mm)
Planeetvorming?
OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof
HYPOTHESE
deeltjes groeien waardoor schijf in schaduw “zinkt” +
enkel kleinste korrels geraken tot aan het oppervlak
Planeetvorming?
THEORIE: evolutie van circumstellair stof
interstellaire wolk
circumstellaire schijf
“puinschijf”
planetenstelsel
(1)
1 μm
(2)
1 mm
(3)
1dm
planeetgrootte
Planeetvorming?
THEORIE: evolutie van circumstellair stof
circumstellaire schijf
interstellaire wolk
deeltjes bewegen tov. elkaar
omwille van de lokale temperatuur
(Brownse beweging)
+
blijven aan elkaar plakken
omwille van de van der Waals krachten
(1)
1 μm
1 mm
Planeetvorming?
THEORIE: evolutie van circumstellair stof
van monomeer tot fractale structuur (hoge porositeit)
Ø 1.9 µm SiO2
(1)
1 μm
1 mm
Planeetvorming?
THEORIE: evolutie van circumstellair stof
circumstellaire schijf
“puinschijf”
Brownse beweging en drift
+
van der Waalskrachten
+
compacter worden door botsingen
(2)
1 mm
1 dm
Planeetvorming?
THEORIE: evolutie van circumstellair stof
van fractale structuur tot poreuze deeltjes
lage botsingssnelheid:
“dust cake”
hoge porositeit
hoge botsingssnelheid:
(2)
1 mm
1 dm
Planeetvorming?
THEORIE: evolutie van circumstellair stof
“puinschijf”
planetenstelsel
-niet duidelijkzeker: kometen hebben hoge porositeit!
(slechts voor 30% “gevuld”)
invloed van waterijs?
gravitatie?
(3)
1 dm
planeetgrootte
Planeetvorming?
ANDER ONDERZOEK
- evolutie van de gasschijf
chemische processen, invloed op de
beweging van het stof, invloed op de
structuur van de schijf
- simulaties van planeten in gasrijke schijven
in- en zelfs uitwaardse migratie van
planeten, planetair “stofzuigen” = ontstaan
van “gaten” in de schijf, getijdeninteracties,
massa-inval op de ster door planeet
Planeetvorming?
MOMENTEEL:
geen enkele detectie van
een planeet in een gasrijke schijf
MAAR
1 zeer goede kandidaat:
HD 100546
leeftijd > 10 Mjr; afstand 103 pc
Planeetvorming?
HD 100546
(2003;2005)
gat in schijf
Planeetvorming?
HD 100546
(2001; 2005)
spiraalarmen
Planeetvorming?
Hale-Bopp
Planeetvorming?
HD 100546
(1996)
flux [Jy]
HD 100546
Hale-Bopp
kristalliniteit +
“komeet-achtig”
golflengte [μm]
Planeetvorming?
HD 100546
(2005)
HD 100546
flux
Hale-Bopp
snelheid [km/s]
Planeetvorming?
stralende zuurstofatomen
vertonen bij bepaalde golflengtes
een emissielijn
||
“geven licht” met
specifieke “kleuren”
Planeetvorming?
roterende schijf
blauw = naar ons toe
rood = van ons weg
Planeetvorming?
in schijf: stralende zuurstofatomen
emissielijn
Planeetvorming?
in schijf: stralende zuurstofatomen
emissielijn
Planeetvorming?
in schijf: stralende zuurstofatomen
Planeetvorming?
HD 100546
(2005)
HD 100546
flux
Hale-Bopp
2005
2002
1999
1994
snelheid [km/s]
}
11 yr
Planeetvorming?
HD 100546
gat
kristalliniteit +
“komeet-achtig”
spiraalarmen
flux
flux [Jy]
massieve planeet?
massa 20 MJupiter
afstand 6.5 AU
golflengte [μm]
snelheid [km/s]
Planeetvorming?
HD 100546
de planeet rond HD 100546 zou de
jongste planeet zijn die ontdekt werd
tot vandaag
dit schijf+planeet+ster systeem kan
van enorm belang zijn voor ons begrip
van stofgroei, planeetvorming en
dynamica van planetenstelsels in stofschijven
Bedankt voor uw luisterbereidheid!
komeet Hale-Bopp