Simulation of images of a protoplanetary disk after a collision with a gas stream

Jonge sterren worden niet alleen geboren in de stilte van de ruimte; ze ontstaan uit enorme, kolkende wolken van gas en stof die uiteindelijk afvlakken tot schijven. Deze protoplanetaire schijven zijn de kraamkamers waar planeten beginnen te vormen, draaiend rond hun moedersterren als een kosmische carrousel. Decennialang hebben astronomen zich afgevraagd hoe deze schijven groeien en veranderen. Recente waarnemingen met de krachtigste telescopen ter wereld hebben onthuld dat deze schijven geen geïsoleerde eilanden zijn. In plaats daarvan worden ze vaak gevoed door smalle, dichte stromen gas die vanuit de omringende wolk binnenstromen, een proces dat nog lang nadat de ster zelf is gevormd, doorgaat. Deze stromen, bekend als streamers, botsen op de draaiende schijven en leveren vers materiaal en energie. Begrijpen wat er precies gebeurt wanneer deze twee kosmische stromen botsen, is cruciaal, omdat het de omgeving vormt waarin nieuwe werelden worden geboren en zelfs de chemische samenstelling van het toekomstige zonnestelsel kan veranderen.

Een team onderzoekers van het Crimeaanse Astrofysische Observatorium heeft een diepe duik genomen in deze gewelddadige interactie, niet door door een telescoop te kijken, maar door een gedetailleerd virtueel model van de gebeurtenis te bouwen. Ze wilden zien hoe de nasleep van een dergelijke botsing eruit zou zien voor een waarnemer die van een afstand toekijkt. Met behulp van krachtige supercomputers simuleerden ze een enorme gaswolk, zo zwaar als de planeet Jupiter, die vanaf een afstand van 20 astronomische eenheden naar een jonge ster valt die omringd wordt door een schijf. Ze testten twee verschillende scenario's: één waarbij de gasstroom in dezelfde richting valt als de rotatie van de schijf, en één waarbij de stroom in de tegenovergestelde richting botst. Het doel was om synthetische beelden te genereren—computergegenereerde plaatjes van hoe deze botsingen eruit zouden zien als ze zouden worden vastgelegd door echte instrumenten zoals de ALMA-radiotelescoop of infraroodcamera's.

De resultaten van deze simulaties onthulden twee zeer verschillende uitkomsten, afhankelijk van de richting van de botsing. Wanneer de gasstroom in dezelfde richting als de rotatie van de schijf valt, creëert de botsing een dramatische, enkelarmige spiraalstructuur. Het binnenkomende gas, dat sneller beweegt dan het lokale materiaal in de schijf, veegt de materie van de schijf op en slingert deze naar buiten, waardoor de verstoring wordt uitgerekt tot een lange, heldere arm die duidelijk zichtbaar is in radiogolflengten. Deze spiraal is robuust en blijft langdurig aanwezig, en valt op tegen de achtergrond van de schijf. De onderzoekers ontdekten dat dit kenmerk het meest zichtbaar is wanneer de schijf een aanzienlijke hoeveelheid kleine stofdeeltjes bevat, die fungeren als de primaire reflectoren van licht in deze waarnemingen.

In het meer chaotische scenario, waarbij de gasstroom vanuit de tegenovergestelde richting op de schijf botst, is het resultaat veel complexer. In plaats van een nette spiraal, creëert de botsing een welving, waardoor het binnenste deel van de schijf kantelt, zodat het niet langer uitgelijnd is met de buitenranden. Deze gekantelde binnenste schijf vormt een duidelijke, gekantelde ring rond de ster die meer dan honderd jaar kan aanhouden. In de simulaties verscheen deze structuur als een helder, gekanteld gebied met een donkere lijn die erdoorheen loopt, zichtbaar wanneer het systeem vanuit bepaalde hoeken wordt bekeken. De onderzoekers merkten op dat deze gekantelde schijf het gemakkelijkst te spotten is in infrarood licht, waar het contrast tussen de boven- en onderzijde van de schijf duidelijk wordt. Interessant genoeg kwamen de geometrische metingen uit deze synthetische beelden perfect overeen met de fysieke gegevens uit de simulatie, wat bevestigt dat de visuele kenmerken betrouwbare indicatoren zijn van de onderliggende fysieke veranderingen.

De studie benadrukte ook hoe de hoek van de binnenkomende stroom de uitkomst verandert. Wanneer de stroom onder een steile hoek inslaat, wordt de kanteling van de binnenste schijf prominenter, wat een duidelijk visueel kenmerk creëert dat het onderscheidt van een vlakke, ongestoorde schijf. Echter, als de botsing slechts één keer plaatsvindt, zonder dat de stroom ronddraait om de schijf een tweede keer te raken, zijn de resulterende spiraalstructuren veel zwakker en moeilijker te detecteren met de huidige radiotelescopen. De onderzoekers concludeerden dat hoewel deze dramatische kenmerken echt en detecteerbaar zijn, het spotten ervan in het echte universum momenteel beperkt is tot systemen die relatief dicht bij onze eigen zon liggen, binnen ongeveer 100 parsec. Voor nu dienen deze computergegenereerde beelden als een vitale gids, die astronomen helpen weten waar ze precies naar moeten zoeken wanneer ze hun telescopen richten op de stoffige kraamkamers van nieuwe sterren, waardoor ze een inkijkje krijgen in de gewelddadige, vormende momenten die de architectuur van planetaire systemen vormgeven.