A Misaligned Debris Disk relative to the Host Star CPD-72 2713 from JWST/NIRCam Imaging

Sterren worden vaak geboren met een familie van planeten en een kolkende gordel van stof en gesteente, net zoals ons eigen zonnestelsel begon. In de vroegste dagen vormen deze materialen een platte, draaiende schijf die is uitgelijnd met de evenaar van de ster, een natuurlijk gevolg van hoe de zwaartekracht materie samenbrengt. Gedurende miljoenen jaren kan deze schijf evolueren, waarbij soms verborgen planeten zichtbaar worden die gaten uithollen of rimpelingen in het stof creëren. Astronomen bestuderen deze puinfeldschijven omdat ze fungeren als een fossiel archief dat aanwijzingen bewaart over hoe planetaire systemen ontstaan en of ze geordend of chaotisch blijven. Een cruciale vraag in dit vakgebied is of de planeten en stofgordels perfect uitgelijnd blijven met de draaiende ster, of dat ze in de loop van de tijd kunnen kantelen en uit elkaar kunnen drijven. Wanneer een schijf en de ster die eromheen draait niet uitgelijnd zijn, suggereert dit een dramatische geschiedenis van gravitationele rukken of botsingen die het systeem uit de pas hebben gebracht.

Een team van astronomen heeft onlangs de James Webb Ruimtetelescoop gebruikt om een jonge ster genaamd CPD-72 2713 te onderzoeken, gelegen in de zuidelijke hemel. Deze ster is ongeveer 24 miljoen jaar oud, een pasgeboren baby in kosmische termen, en maakt deel uit van een bewegingsgroep van sterren die samen zijn gevormd. De onderzoekers legden met hoge resolutie beelden vast van de stoffschijf rond de ster met behulp van twee verschillende infraroodfilters, wat hen in staat stelde om te zien hoe het stof het sterlicht verstrooit. Wat zij vonden was een duidelijke, bijna vlakke ring van puin, maar met een verrassende wending: de schijf is niet uitgelijnd met de evenaar van de ster. Door deze nieuwe beelden te combineren met gegevens over hoe snel de ster draait en hoe lang het duurt voordat hij een rotatie voltooit, berekende het team dat de schijf ten minste 27 graden gekanteld is ten opzichte van de ster. Dit is een significante afwijking, wat aangeeft dat de ster en de omringende schijf niet in hetzelfde vlak draaien.

De studie onthulde ook dat het stof dat in deze nieuwe beelden wordt gezien, veel dichter bij de ster geconcentreerd is dan eerder gedacht. Eerdere waarnemingen met andere telescopen hadden gesuggereerd dat de schijf zich uitstrekt tot bijna 100 astronomische eenheden, een enorme afstand waar het stof koud is en thermische straling uitzendt. De nieuwe beelden laten echter zien dat het verstrooide sterlicht door het stof zich veel dichterbij bevindt, op een afstand van ongeveer 39 tot 55 astronomische eenheden. Dit verschil suggereert dat de twee soorten waarnemingen verschillende populaties stof zien: de nieuwe beelden traceren kleinere, warmere korrels dichter bij de ster, terwijl de oudere gegevens grotere, koudere korrels verder naar buiten toe traceerden. Deze bevinding helpt astronomen begrijpen hoe stof zich gedraagt en beweegt binnen deze systemen, en laat zien dat verschillende golflengten van licht verschillende lagen van de structuur van de schijf onthullen.

Om te begrijpen wat deze kanteling veroorzaakte, zochten de onderzoekers naar een verborgen planeet die de schijf uit de uitlijning zou kunnen trekken. Ze zochten in de beelden naar grote planeten die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de kanteling, maar vonden er geen tot een massa van ongeveer 0,3 keer die van Jupiter. De afwezigheid van een massieve nabijgelegen planeet maakt het onwaarschijnlijk dat een enkele reuzenplaneet de schijf momenteel dwingt tot een kanteling. Het team overwoog ook of een verre, gekantelde planeet de schijf in de loop van de tijd langzaam uit het lood had gekanteld, maar berekeningen toonden aan dat een dergelijk proces langer zou duren dan de leeftijd van de ster zelf. Bijgevolg heeft de uitlijningsafwijking waarschijnlijk een complexere oorsprong, mogelijk voortkomend uit chaotische gebeurtenissen tijdens de vorming van het systeem of interacties met passerende sterren, in plaats van een eenvoudige, huidige gravitationele ruk van een zichtbare planeet.

De onderzoekers zagen ook een zwak lichtpunt in hun beelden, dat zij identificeerden als geen planeet, maar als een verre achtergrondstelsel. Dit object verscheen in één van de filters maar niet in de andere, een kenmerkend teken dat het een verafgelegen sterrenstelsel is en geen begeleider van de ster. Door dit object als een planeet uit te sluiten en geen andere massieve begeleiders te vinden, versterkt de studie de conclusie dat de kanteling van de schijf een fundamenteel kenmerk is van de architectuur van het systeem, waarschijnlijk vastgesteld in de vroege geschiedenis ervan. Het werk biedt een zeldzame, gedetailleerde blik op een jong systeem waar de ster en de schijf niet in harmonie zijn, en biedt een nieuw perspectief op hoe planetaire systemen kunnen evolueren naar uitgelijnde staten.