van protoplanetaire schijf tot planetenstelsel

Transcriptie

1 van protoplanetaire schijf tot planetenstelsel enkele hypotheses en vragen uit het hedendaags onderzoek Bram Acke

2 Overzicht planetenstelsels - ons zonnestelsel - exoplaneten detectiemethoden protoplanetaire schijven - ontstaan - geometrie - chemische samenstelling planeetvorming: stofevolutie - observaties - theorie - HD

4 Planetenstelsels ons zonnestelsel tellurische planeetjes (< 5AU) gasreuzen (5-30 AU) ijsdwergen (>30AU)

5 Planetenstelsels Exoplaneten ±160 tot vandaag detecties op basis van - radiale-snelheidsvariaties - planetaire transits - directe detectie

6 Planetenstelsels Radiale-snelheidsvariaties: ster en planeet draaien rond gemeenschappelijk massacentrum ster beweegt afwisselend naar ons toe en van ons weg

7 Planetenstelsels Radiale-snelheidsvariaties: veranderende absorptielijnen in spectrum wegens Dopplereffect tijd

8 Planetenstelsels Planetaire transits: zoals Venusovergang de helderheid van de ster neemt tijdelijk en periodiek af

9 Planetenstelsels Directe detectie: een echte foto van de planeet (voorlopig slechts 1 mogelijke kandidaat)

10 Planetenstelsels Exoplaneten ±160 tot vandaag detecties op basis van - radiale-snelheidsvariaties - planetaire transits - directe detectie voorkeur voor grote, massieve exoplaneten

12 Protoplanetaire schijven Waar en hoe ontstaan planetenstelsels? bestudeer de voorgangers: circumstellaire schijven

13 Protoplanetaire schijven Ontstaan van circumstellaire schijven in elkaar stuikende wolk van gas en moleculen

14 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

15 Protoplanetaire schijven Ontstaan van circumstellaire schijven massa-accretie vermindert drastisch PASSIEVE SCHIJF

16 Protoplanetaire schijven Ontstaan van circumstellaire schijven vorming van grotere objecten (planeten?) + schijf wordt gas-arm PUINSCHIJF

17 Protoplanetaire schijven Ontstaan van circumstellaire schijven

18 Protoplanetaire schijven eigenschappen van (passieve) schijven - geometrie - chemische samenstelling

19 Protoplanetaire schijven geometrie observaties gebaseerd op de Spectrale Energie Distributie (SED) UV zichtbaar licht infrarood

20 Protoplanetaire schijven geometrie observaties 2 types van Spectrale Energie Distributie

21 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

22 Protoplanetaire schijven geometrie Obs.: geopende schijf Model: schaduwschijf

23 Protoplanetaire schijven geometrie zichtbare circumstellaire schijven zijn helemaal anders dan de ringen van Saturnus rotsblokken (~m) dik zeer kleine stofdeeltjes (~μm-mm) dun

24 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)

25 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

26 Protoplanetaire schijven chemische samenstelling zonder gas stuikt de schijf in elkaar omdat enkel het gas een significante drukkracht kan ontwikkelen

27 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

28 Protoplanetaire schijven chemische samenstelling belangrijkste bestanddelen van het stof op basis van gedetecteerde signaturen in IR spectra PAK C-rijk silicaten O-rijk

29 Protoplanetaire schijven chemische samenstelling belangrijkste bestanddelen van het stof silicaten (SiO-verbindingen + Fe en Mg) amorf kristallijn forsteriet olivijn kwarts enstatiet pyroxeen

30 Protoplanetaire schijven chemische samenstelling belangrijkste bestanddelen van het stof koolstof (C-verbindingen) amorf kristallijn diamant amorf koolstof grafiet

31 Protoplanetaire schijven chemische samenstelling belangrijkste bestanddelen van het stof polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAKs) H C6

32 Protoplanetaire schijven chemische samenstelling belangrijkste bestanddelen van het stof andere: ijzersulfide (FeS) amorf kristallijn

34 Planeetvorming? Hoe kunnen zich uit stofdeeltjes van μm-grootte uiteindelijk planeten vormen die zo massief zijn dat ze gas gravitationeel aan zich kunnen binden?

35 Planeetvorming? OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof interstellaire wolk zeer kleine deeltjes (sub-μm!) geen stofgroei wegens zeer lage dichtheden

36 Planeetvorming? OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof circumstellaire schijf allerlei deeltjesgroottes: kleine deeltjes (μm) tot deeltjes veel groter dan mm is er een evolutionaire link?

37 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.

38 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.

39 Planeetvorming? OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof stofkorrelgroei in het schijfoppervlak emissieefficiëntie stofkorrelgroei in schijven? momenteel: 2 types aanwijzingen stofkorrelgroei in het middenvlak

40 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

41 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

42 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)

43 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

44 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!

45 Planeetvorming? OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof CONCLUSIE stofkorrelgroei in de schijf grote of kleine korrels onafhankelijk van geometrie kleine korrels (< mm) grote korrels (>> mm)

46 Planeetvorming? OBSERVATIES: evolutie van circumstellair stof HYPOTHESE deeltjes groeien waardoor schijf in schaduw zinkt + enkel kleinste korrels geraken tot aan het oppervlak

47 Planeetvorming? THEORIE: evolutie van circumstellair stof interstellaire wolk circumstellaire schijf puinschijf planetenstelsel (1) 1 μm (2) 1 mm (3) 1dm planeetgrootte

48 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

49 Planeetvorming? THEORIE: evolutie van circumstellair stof van monomeer tot fractale structuur (hoge porositeit) Ø 1.9 µm SiO2 (1) 1 μm 1 mm

50 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

51 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

52 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

53 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

54 Planeetvorming? MOMENTEEL: geen enkele detectie van een planeet in een gasrijke schijf MAAR 1 zeer goede kandidaat: HD leeftijd > 10 Mjr; afstand 103 pc

55 Planeetvorming? HD (2003;2005) gat in schijf

56 Planeetvorming? HD (2001; 2005) spiraalarmen

57 Planeetvorming? Hale-Bopp

58 Planeetvorming? HD (1996) flux [Jy] HD Hale-Bopp kristalliniteit + komeet-achtig golflengte [μm]

59 Planeetvorming? HD (2005) HD flux Hale-Bopp snelheid [km/s]

60 Planeetvorming? stralende zuurstofatomen vertonen bij bepaalde golflengtes een emissielijn geven licht met specifieke kleuren

61 Planeetvorming? roterende schijf blauw = naar ons toe rood = van ons weg

62 Planeetvorming? in schijf: stralende zuurstofatomen emissielijn

63 Planeetvorming? in schijf: stralende zuurstofatomen emissielijn

64 Planeetvorming? in schijf: stralende zuurstofatomen

65 Planeetvorming? HD (2005) HD flux Hale-Bopp snelheid [km/s] } 11 yr

66 Planeetvorming? HD gat kristalliniteit + komeet-achtig spiraalarmen flux flux [Jy] massieve planeet? massa 20 MJupiter afstand 6.5 AU golflengte [μm] snelheid [km/s]

67 Planeetvorming? HD de planeet rond HD 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

68 Bedankt voor uw luisterbereidheid!

69 komeet Hale-Bopp