Citation for published version (APA): van Boekel, R. (2004). High spatial resolution infrared studies of proto-planetary disks

Transcriptie

1 UvA-DARE (Digital Academic Repository) High spatial resolution infrared studies of proto-planetary disks van Boekel, R.J.H.M. Link to publication Citation for published version (APA): van Boekel, R. (2004). High spatial resolution infrared studies of proto-planetary disks General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam ( Download date: 03 Oct 2017

2 Samenvatting in het Nederlands De vorming van sterren en planetaire systemen Op vele plaatsen in ons Melkwegstelsel worden op dit moment nieuwe sterren geboren. Dat gebeurt in gigantische wolken van koud gas en stof die zich in de interstellaire ruimte bevinden. Zo n wolk kan onder zijn eigen zwaartekracht in elkaar storten, waarna zich in het centrum een nieuwe ster vormt. Omdat de wolken altijd een klein beetje draaien vormt zich rond de jonge ster een schijf van gas en stofdeeltjes. We noemen dit een circumstellaire schijf. In figuur 1 is een foto van een dergelijke schijf te zien. De zon is zo n miljard jaar geleden gevormd, en ze is ongeveer halverwege haar leven. Ook de zon had ten tijde van haar vorming een schijf. Hierin zijn de planeten van het zonnestelsel, waaronder de aarde, gevormd. Het is erg waarschijnlijk dat ook in de schijven die we nu zien rondom jonge sterren planeten worden gevormd. De stofkorrels zijn, als ze terechtkomen in de circumstellaire schijf, minder dan een micrometer (één-duizendste millimeter) groot. Samenklitting van deze deeltjes leidt tot grotere stofdeeltjes, die door verdere samenklontering poreuze steentjes vormen, welke weer verder groeien tot rotsblokken, en uiteindelijk planeten. De initieel minuscule stofdeeltjes zijn dus feitelijk de bouwstenen van planeten. Hoe precies verloopt het proces van planeetvorming en wat gebeurt er met het stof in de schijven rondom jonge sterren? Dit is een belangrijke vraag in de sterrenkunde, en de metingen en analyses in dit proefschrift helpen ons hopelijk een stukje verder richting het antwoord. Infraroodspectroscopie De planeetvormende schijven rond jonge sterren verraden hun aanwezigheid onder andere door de grote hoeveelheid infraroodstraling die ze uitzenden. Deze straling is licht met een langere golflengte dan het licht dat we met onze ogen kunnen zien 1. In de schijven rond jonge sterren wordt infraroodstraling uitgezonden door kleine stofkorrels. Uit de analyse van deze straling kunnen we veel leren over de aard van het stof. De techniek die we hiervoor gebruiken heet infraroodspectroscopie. Hierbij meten we het spectrum van het stof, ofwel de 1 Infraroodstraling kunnen we wel voelen met onze huid: bijvoorbeeld de warmtestraling die van een kachel komt, is infrarood licht. 193

3 194 4 Samenvatting g Figuurr 1 Een foto van de circumstellaire schijf rondom the ster V 1213 Tau, gemaakt mett de Huhble ruimtetelescoop. Het sterlicht dat wordt gereflecteerd door de minuscule stofkorrelss in de schijf is te zien in groen licht. Ook zichtbaar is gas dat in de polaire richtingg wordt uitgestoten (rood). Duidelijk is de uitwaaierende vorm van de schijf te zien.. De infraroodstraling die het stof zelf uitzendt bij een golflengte van 10 micrometer, welkee in dit proefschrift bestudeerd is. komt uit een veel kleiner gebied, op deze schaal ongeveerr 2 millimeter groot. De baan die de aarde om de zon maakt, zou op deze foto slechtss 0.2 millimeter in doorsnede zijn. hoeveelheidd licht die het stof uitzendt als functie van de golflengte. In figuur 2 is hiervann een voorbeeld te zien. Veel soorten stof hebben pieken in hun spectrum: bijj bepaalde golflengten zenden ze relatief veel straling uit. Elke stofsoort heeft opp deze manier zijn eigen "vingerafdruk", en door de pieken in het spectrum preciess te analyseren, kunnen we achterhalen wat voor materialen er in de schijven rondd andere sterren voorkomen. Dit blijken dezelfde stoffen te zijn die we ook vindenn op aarde en elders in ons eigen zonnestelsel, bijvoorbeeld in kometen. Dee evolutie van stof in circumstellaire schijven Opp het moment dat het stof in de circumstellaire schijf terecht komt. heeft het zeerr specifieke eigenschappen. De stofkorrels zijn hooguit een paar tiende micrometerr groot, en de kleinste bouwstenen waaruit de korrels zijn gemaakt (de

4 Dee evolutie van stof in circumstellaire schijven o o ««100 : : 01 1 > > ai i jj i i L Golflengtee [micrometer] Figuurr 2 De spectroscopische "vingerafdruk" van het stof in de circumstellaire schijf rondomm de ster HD , op een afstand van 340 lichtjaar. In dit spectrum is te zien watt de waargenomen hoeveelheid licht is die het stof uitzendt als functie van golflengte. Aann de pieken in het spectrum kunnen we zien wat voor materialen in de schijf voorkomen,, hoe groot de stofkorrels zijn, en of het materiaal amorf danwei gekristalliseerd is. "moleculen")) zitten kriskras door elkaar; we noemen dit ook wel '"amorf'. Eenmaall in de schijf zal een stofkorrel regelmatig tegen een andere korrel botsen, en eraann vast klitten. Zo worden de korrels steeds groter, het stof "groeit". Wanneerr het stof erg heet wordt (typisch als de temperatuur boven de graden Keivin 22 komt) zullen de bouwstenen van het stof zich ordenen. Dit gebeurt bijvoorbeeldd wanneer de stofkorrels in de buurt van de binnenrand van de schijf komen,, dicht bij de centrale ster. De moleculen zitten niet langer kriskras door elkaar,, maar netjes op een rij: er vormt zich een kristal. Zowel groei als kristallisatiee veranderen de spectroscopische vingerafdruk van het stof. Door het spectrumm te analyseren kunnen we dus niet alleen zien welke materialen er in de schijvenn voorkomen, maar ook hoe groot de stofkorrels zijn, en of ze al dan niet kristallijnn zijn. 22 Voor de omrekening van de Keivin naar de Celcius schaal dient men 273 graden af te trekken vann de temperatuur in graden Keivin.

5 196 6 Samenvatting g Hett blijkt dat de stofkorrels in de door ons bestudeerde circumstellaire schijvenn afmetingen hebben van, ruwweg, één micrometer tot tientallen micrometers. Dee massa's van de stofdeeltjes zijn dus al honderden tot miljoenen malen groter dann bij aanvang van het planeetvormingsproces. Ook zien we in veel schijven dat eenn deel van het stof is gekristalliseerd. De kometen in ons eigen zonnestelsel, waarvann we denken dat ze sinds ze gevormd zijn in de schijf rondom de jonge zonn qua samenstelling nauwelijks meer zijn veranderd, bevatten ook kristallen. Dee kristallen die we in circumstellaire schijven zien zouden wel eens op dezelfde manierr gevormd kunnen zijn als de kometaire kristallen. Dee structuur van circumstellaire schijven Doorr het spectrum van een circumstellaire schijf te bekijken kunnen we achterhalenn wat voor materialen in de schijf voorkomen. We kunnen ook afschatten watt de temperatuur van die materialen is (erg warme materialen stralen vooral opp relatief korte golflengten, koude materialen op langere). Als we eenmaal de temperatuurr van het materiaal kennen, kunnen we ook ongeveer bepalen op wat voorr afstand van de ster dit materiaal zich bevindt: dicht bij de ster is het materiaall heet, ver van de ster is het koud. Opp basis van het spectrum zijn de schijven in te delen in twee groepen: die (fantasievol)) "groep I" en "groep II" zijn genoemd. De groep I schijven blijken veell meer "warm" stof te hebben, in het temperatuurbereik van ongeveer 100 tott 400 graden Keivin, dan de groep II schijven. Beide groepen laten ook veel emissiee zien van erg heet stof, met een temperatuur van tot graden Keivin.. Mogelijkk wordt het verschil in spectrum tussen groep I en II veroorzaakt door eenn verschillende ruimtelijke vorm van de schijf. De twee schijfgeometrieën zijn geïllustreerdd in figuur 3. De straling van het heetste stof komt van het binnenste deell van de schijf, die er voor beide soorten schijven ongeveer hetzelfde uitziet.. De buitenschijf van een groep I object heeft een uitwaaierende geometrie. Hierdoorr vangt de schijf relatief veel licht van de ster op, waardoor ze efficient wordtt verwarmd en relatief veel infraroodstraling kan uitzenden. We denken dat dee buitenschijf van een groep II object een platte geometrie heeft, waardoor de buitendelenn van de schijf geen licht ontvangen van de ster. en daardoor relatief koudd zijn en slechts weinig infraroodstraling uitzenden.

6 Ditt proefschrift Eenn scherper zicht op schijven Eénn van de redenen waarom de studie van c i re um steil aire schijven niet eenvoudigg is, is dat deze objecten zich op erg grote afstand van ons bevinden. De schijvenn die in dit proefschrift zijn onderzocht staan op een afstand van honderden lichtjarenn (één lichtjaar is ongeveer tien-duizend-miljard kilometer), en daarom hebbenn ze een heel kleine afmeting aan de hemel. Het infrarode licht dat we waarnemenn komt uit een deel van de schijf dat vanaf de aarde gezien ongeveer evenn groot is als een munt van één euro, gezien op een afstand van 25 kilometer.. Om de schijven rond andere sterren in detail te kunnen bestuderen, moet jee dus heel erg scherp kunnen zien. De infrarood waarnemingen die tot dusver gedaann zijn, hadden onvoldoende beeldscherpte om te kunnen meten hoe groot dee schijven zijn, en wat precies hun vorm is. De schijven waren niet meer dan lichtpuntjess voor onze telescopen. Dee beeldscherpte van een telescoop schaalt met zijn afmeting: als de diameterr van de telescoopspiegel verdubbelt, dan zijn twee maal zo kleine details zichtbaar.. De grootste telescopen ter wereld hebben een diameter van ongeveer 100 meter. De beeldscherpte van zo'n telescoop is net goed genoeg om te zien dat dee schijven een afmeting hebben en geen lichtpuntjes zijn, maar bij lange na niet goedd genoeg om de schijven in detail te onderzoeken. De diameter van de baan diee de aarde om de zon maakt is veel kleiner dan de fijnste details die we met de grootstee telescopen kunnen zien. Omm de schijven in detail te kunnen bestuderen, hebben we dus veel grotere telescopenn nodig. Het bouwen hiervan is praktisch (nog) niet haalbaar. Maar gelukkigg is er nog een manier om hele scherpe waarnemingen te doen. Door het lichtt van twee telescopen op een speciale manier te combineren, krijgen we een beeldscherptee die niet meer afhangt van de diameter van de individuele spiegels, maarr van de afstand tussen de telescopen. In dit proefschrift hebben we metingenn gedaan met twee telescopen die 100 meter uit elkaar staan. Hiermee zagen wee de schijven met dezelfde beeldscherpte als met een telescoop van 100 meterr diameter mogelijk zou zijn! Het is zo gelukt om een gebied ter grootte van dee aardbaan te onderscheiden. De techniek waarbij het licht van twee of meerderee telescopen wordt gecombineerd heet interferometrie. In figuur 4 zijn vier telescopenn te zien van de Europese sterrenwacht in Chili, die samen kunnen werkenn als een interferometer, en die gebruikt zijn voor een aantal studies die in dit proefschriftt worden gepresenteerd.

7 198 8 Samenvatting g groepp II, "plat" Figuurr 3 Een illustratie van de twee verschillende geometrieën waarvan we denken datt ze voorkomen in circumstellaire schijven. De groep I objecten hebben een uitwaaierendee schijf, de groep II schijven hebben een platte geometrie. Ditt proefschrift Tijdenss de studies die beschreven zijn in dit proefschrift hebben we ons vooral gerichtt op drie vragen: 1.. Wat zijn de eigenschappen van de stofkorrels in circumstellaire schijven? 2.. Hoe verandert het stof in deze schijven in de loop van de tijd, en hoe hangenn de processen die verantwoordelijk zijn voor deze veranderingen af vann de eigenschappen van de centrale ster en de positie van het stof in de schijf?? 3.. Wat is de ruimtelijke structuur van de schijven rond jonge sterren? Omm antwoord te krijgen op deze vragen hebben we het licht afkomstig van de schijvenn rond zo n 25 jonge sterren waargenomen en geanalyseerd. Uit metingen mett een enkelvoudige telescoop hebben we de gemiddelde eigenschappen van hett stof over de gehele schijf kunnen bepalen. Voor de grootste schijven hebben wee met deze data eigenschappen over de structuur van de buitendelen van de schijff af kunnen leiden, maar verreweg de meeste schijven bleken te klein om in detaill te bestuderen.

8 Ditt proefschrift Figuurr 4 De vier grootste telescopen van de Europese sterrenwacht op Paranal, Chili. Elkk van de telescopen heeft een diameter van 8.2 meter. De gebouwen waar de telescopenn in staan zijn 30 meter hoog. Voor deze foto, genomen vanuit een klein vliegtuigje, zijnn bij wijze van uitzondering overdag de deuren open gedaan zodat de telescopen te zienn zijn. De witte lijnen geven aan hoe het licht van de verschillende telescopen kan wordenn gecombineerd op één centraal punt, aangegeven door een witte ster in het middenn van de figuur. In dit proefschrift hebben we hett licht van de eerste en derde telescoop vann links (deze staan 103 meter uit elkaar) gecombineerd, en daarmee de scherpste waarnemingenn van planeetvormende schijven ooit gedaan. Vann een aantal sterren hebben we ook interferometrische waarnemingen gedaann met twee telescopen, waardoor een veel scherper zicht op de schijven mogelijkk was. Zo konden een drietal schijven in detail worden onderzocht. Met dezee gegevens was het mogelijk om de eigenschappen van het stof te bepalen datt zich in het binnenste deel van schijven bevindt, in een gebied ter grootte vann de aardbaan. Ook onderzoek naar de structuur van de schijven was mogelijkk dankzij deze waarnemingen. Deze waarnemeingen zijn gedaan met het Duits/Nederlands/Fransee instrument MIDI. Dee eigenschappen van het stof in de circumstellaire schijven zijn onderzocht inn hoofdstuk 2, 4 en 6 van dit proefschrift. In hoofdstuk 2 wordt aangetoond dat dee stofkorrels in de schijven inderdaad groeien. De spectrale analyse van een groott aantal schijven is beschreven in hoofdstuk 4. In deze studie wordt vooral

9 200 0 Samenvatting g gekekenn naar de hoeveelheid groei en de mate van kristallisatie die het stof heeft ondergaan.. De hoeveelheid kristallen blijkt erg te verschillen van schijf tot schijf. Ookk de mate waarin de stofkorrels gegroeid zijn loopt sterk uiteen, maar het iss wel duidelijk dat in alle schijven het stof al in enige mate is gegroeid. Het blijktt dat als er veel kristallen in een schijf zitten, er ook altijd veel groei heeft plaatsgevondenn (het omgekeerde is niet waar; er zijn ook schijven met weinig kristallen,, waarin het stof al wel veel groei heeft ondergaan). Hieruit blijkt dat groeii een "makkelijker" proces is dan kristallisatie van de stofkorrels. Blijkbaar heersenn de omstandigheden die nodig zijn voor groei in een groter deel van de schijff dan die voor kristallisatie. Inn hoofdstuk 6 gebruiken we interfe rometri se he waarnemingen om de binnenstee delen van drie schijven in detail te bestuderen. Het blijkt dat de kristallen diee we al zagen in de spectra in hoofdstuk 4 zich voornamelijk aan de binnenkant vann de schijven bevinden. In de schijven met relatief veel kristallijn materiaal wordenn ook kristallijne deeltjes in de meer naar buiten gelegen se hij f regionen gezien,, maar altijd zitten er aan de binnenkant méér kristallen dan verder weg. Wee denken dat deze kristallen ook in de hete binnenste delen van de schijf zijn gevormd,, en vervolgens naar de buitendelen van de schijf zijn getransporteerd, waarschijnlijkk door turbulente wervels die voor vermenging (en dus transport) vann schijf materiaal zorgen. In één ster blijkt het stof in een gebied ter grootte vann de aardbaan zelfs helemaal te bestaan uit kristallen. Mocht dit ook zo geweestt zijn in de schijf rond de jonge zon, dan is wellicht ook de aarde ooit uit kleinee kristallen gevormd. Dee structuur van de schijven is bestudeerd in hoofdstuk 3, 7 en 8. De voornaamstee vraag die we ons hier stelden was: "is het verschil tussen groep I en groepp II schijven inderdaad een kwestie van geometrie, zoals geschetst in figuurr 3?" Van een paar groep I schijven hebben we met behulp van waarnemingen mett één telescoop kunnen zien dat ze erg groot zijn, in overeenstemming met de ideeënn die we hierover hadden. Ook de interfe rometri se he waarnemingen die we inn hoofdstuk 8 presenteren wijzen erop dat we het bij het rechte eind hebben. In hoofdstukk 7 laten we zien hoe we in de toekomst deze kwestie definitief kunnen beslechtenn met behulp van interfe rometri sche metingen. Doorr de studies in dit proefschrift zijn we meer te weten gekomen over de schijvenn rondom jonge sterren, en over het stof dat zich in deze schijven bevindt. Wee hebben waarnemingen gedaan met 's werelds beste telescopen en nieuwe innovatievee technieken, waardoor het detail waarin we de schijven kunnen bestuderenn een fikse sprong voorwaarts heeft gemaakt. De gebruikte interferometrischee techniek staat nog in de kinderschoenen, en de studies die in dit proefschrift beschrevenn staan zijn dan ook de eerste in hun soort. We mogen verwachten dat

10 Ditt proefschrift 20Ï Ï wee met onze nieuwe, scherpe blik op schijven in de komende jaren veel vooruitgangg zullen boeken in ons begrip van deze objecten, en daarmee in de onstaansgeschiedeniss van het zonnestelsel en de aarde.