Een vreemd kromgetrokken planeetvormende schijf omcirkelt een verre trio sterren

In een van de meest complexe kosmische dansen die astronomen tot nu toe hebben gezien, omcirkelen drie ringen van gas en stof een trio sterren.

Het sterrenstelsel GW Orionis, op ongeveer 1.300 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Orion, omvat een paar jonge sterren opgesloten in een nauwe do-si-do met een derde ster die lussen rond beide maakt. Rondom alle drie de sterren bevindt zich een uiteengereten schijf van stof en gas waar zich ooit planeten kunnen vormen. In tegenstelling tot de platte schijf die aanleiding gaf tot de planeten in ons zonnestelsel, bestaat de schijf van GW Orionis uit drie lussen, met een kromgetrokken middelste ring en een binnenste ring die nog meer verdraaid is onder een zwierige hoek ten opzichte van de andere twee.

De bizarre geometrie van dit systeem, het eerste bekende in zijn soort, wordt gerapporteerd in twee recente studies door twee groepen astronomen. Maar hoe GW Orionis is ontstaan, is een mysterie, waarbij de twee teams concurrerende ideeën aandragen voor de geboorte van het triple-star-and-ringsysteem.

In een studie van 4 september in Wetenschapsuggereren astronoom Stefan Kraus van de Universiteit van Exeter in Engeland en collega’s dat zwaartekrachtsleepboten en koppels van het driesterrenballet verscheurde en vervormde de oerschijf. Maar in een studie van 20 mei in de Astrophysical Journal Letters, Jiaqing Bi van de Universiteit van Victoria in Canada en collega’s denken dat een pasgeboren planeet is de schuldige.

“De vraag is hoe je eigenlijk zulke systemen vormt”, zegt theoretisch fysicus Giuseppe Lodato van de Universiteit van Milaan, die geen deel uitmaakte van een van beide teams. “Er kunnen verschillende mechanismen zijn die dat kunnen doen.”

Astronomen hebben gekantelde schijven van gas en stof rond dubbelstersystemen gezien, maar geen systemen met meer dan twee sterren (SN: 30-7-14). Ongeveer de helft van de sterren in de melkweg heeft ten minste één stellaire metgezel, en hun planeten hebben vaak een gekantelde baan ten opzichte van hun sterren en gaan meer rond als een springtouw dan als een hoelahoep (SN: 1/11/13). Die verkeerde uitlijning zou kunnen ontstaan ​​met de schijf waarin de planeten werden geboren: als de schijf scheef stond, zouden de planeten dat ook zijn.

Ongeveer tien jaar geleden realiseerden astronomen zich voor het eerst dat GW Orionis drie sterren en een planeetvormende schijf heeft, en de wetenschappers probeerden het van dichterbij te bekijken. (Op dat moment was het onmogelijk om te zeggen of die schijf een enkele lus was of niet.) Bi’s team en Kraus ’team richtten de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array in Chili op het drievoudige sterrensysteem.

Beide groepen zagen het trio van sterren: de ene ongeveer 2,5 keer en de andere ongeveer 1,4 keer de massa van de zon die eens in de 242 dagen om elkaar heen cirkelde, en nog eens 1,4 keer de ster van de zonnemassa die ongeveer elke 11 jaar om het binnenste paar cirkelde.

De waarnemingen onthulden ook drie verschillende ringen van stof en gas die de sterren omcirkelen. De ring die het dichtst bij het stertrio staat, ligt ongeveer 46 keer de afstand van de aarde tot de zon; de middelste ongeveer 185 keer de afstand aarde-zon; en de buitenste ring ongeveer 340 keer die afstand. Voor het perspectief is Neptunus ongeveer 30 keer de afstand van de aarde tot de zon.

Die binnenste ring is sterk verkeerd uitgelijnd ten opzichte van de andere ringen en de sterren, vonden de teams. Kraus ‘groep voegde waarnemingen toe van de Very Large Telescope van de European Southern Observatory om de schaduw van de binnenring aan de binnenkant van de middelste lus te laten zien. Die schaduw onthulde dat de middelste ring kromgetrokken is, aan de ene kant omhoog en aan de andere kant naar beneden.

Vervolgens voerden beide groepen computersimulaties uit om erachter te komen hoe het systeem tot stand kwam. Dit is waar hun conclusies beginnen te verschillen, zegt Bi. Zijn team suggereert dat een nieuw gevormde, nog niet ontdekte planeet zijn baan van gas en stof heeft vrijgemaakt en de binnenring heeft afgesplitst van de rest van de schijf (SN: 16-7-19). Toen de schijf eenmaal was gespleten, was de binnenring vrij om rond de sterren te slingeren en zich in zijn scheve uitlijning te nestelen.

Simulaties van Kraus ’team ontdekten echter dat de chaotische zwaartekracht van de orbitale dans van de drievoudige sterren alleen voldoende was om de schijf te breken, een fenomeen dat schijfscheuren wordt genoemd. Elke ster heeft de neiging om de schijf op één lijn te houden met zichzelf, en het touwtrekken heeft de schijf kromgetrokken en geschoren en de binnenring nog verder verdraaid. Theoretische studies hadden gesuggereerd dat het scheuren van schijven zou kunnen gebeuren in meerdere sterrenstelsels, maar dit is de eerste keer dat het in het echt wordt gezien, beweert Kraus.

“Ik denk dat het aannemelijk is dat er ergens in het systeem planeten zijn, maar ze zijn niet nodig om de verkeerde uitlijning te verklaren”, zegt hij. “We hoeven geen onontdekte planeten aan te roepen om uit te leggen wat we zien.”

Het verschil kan liggen in de aannames die de groepen maakten over de eigenschappen van de schijf, in het bijzonder de viscositeit ervan, zegt astrofysicus Nienke van der Marel, Bi’s collega aan de Universiteit van Victoria. Een meer stroperige schijf zou scheuren zoals Kraus en collega’s voorstellen, maar een minder stroperige schijf heeft een planeet nodig om uit elkaar te vallen, zegt ze. Ze denkt dat het werk van haar team realistischer is op basis van waarnemingen van andere sterrenstelsels. Maar met de huidige technologie is er geen manier om te zeggen wat de eigenschappen van de GW Orionis-schijf echt zijn.

En geen van beide groepen kon uitleggen waarom de schijf in drieën splitste. “We weten niet echt wat de buitenste ring veroorzaakt”, zegt Klaus.

Lodato, die het schijfscheureffect in 2013 voorspelde, denkt dat GW Orionis het bewijs is dat het fenomeen echt bestaat. Destijds waren Lodato en collega’s “erg bezorgd” dat hun simulaties een effect lieten zien dat werd geïntroduceerd door de berekeningen, niet door echte fysica, zegt hij. “Waarnemingen vertellen ons nu dat het in werkelijkheid gebeurt.”

Toekomstige telescopen kunnen mogelijk ook de planeet zien als die bestaat, zegt van der Marel.