Zonnestelsels in wording

Normaal verdwijnt de stofschijf van sterren 400 miljoen jaar na het ontstaan van de ster. Een kleine minderheid van taaie sterschijven houdt het echter veel langer vol.

Sinds het midden van de jaren tachtig is van een toenemend aantal naburige sterren bekend dat zij zijn omringd door een schijf van stof en waarschijnlijk ook grotere objecten. Astronomen denken dat deze circumstellaire schijven vele overeenkomsten vertonen met de schijf van materiaal waaruit, ruim 4,5 miljard jaar geleden, ons zonnestelsel is ontstaan. Een groep van Europese astronomen, onder leiding van Harm Habing van de Leidse Sterrewacht, heeft nu opnieuw een sterke aanwijzing in die richting gevonden: bij vrijwel alle sterren is hun schijf na relatief korte tijd weer verdwenen.

De eerste aanwijzingen voor het bestaan van stofschijven rond sterren kwamen van de Nederlands-Amerikaanse infraroodsatelliet IRAS. Die ontdekte in 1984 dat sommige sterren veel meer infrarode straling uitzenden dan op grond van hun temperatuur werd berekend. Deze straling wees op de aanwezigheid van relatief warm stof, dat sterlicht absorbeert en de energie daarvan vervolgens als warmtestraling uitzendt.

Enkele stofschijven konden later ook daadwerkelijk worden gefotografeerd. De beroemdste is die van Bèta Pictoris, die een diameter heeft van minstens 20 maal die van de baan van Neptunus, de buitenste grote planeet van ons zonnestelsel.

Europese astronomen hebben nu met behulp van ISO (1995-1998), een infraroodsatelliet die veel gevoeliger was dan IRAS, van 84 naburige sterren bepaald of ze al dan niet extra straling in het infrarood uitzenden. Tevens werd van die sterren de leeftijd afgeleid: een gecompliceerde opgave omdat daarvoor gedetailleerde spectra nodig zijn. Ondanks de `aanzienlijke onzekerheden' in de leeftijden kunnen de astronomen nu onomstotelijk vaststellen dat alle waargenomen sterren die jonger zijn dan 400 miljoen jaar een schijf hebben, terwijl slechts 9 procent van alle oudere sterren er een heeft.

De onderzoekers wijzen er in Nature van 30 september op dat alleen al de aanwezigheid van het stof impliceert dat zich in zo'n schijf ook grotere objecten moeten bevinden. Stofdeeltjes kunnen niet oneindig lang rond een ster cirkelen. Net zoals bij onze zon worden micron-grote deeltjes door stralingsdruk weggedreven, terwijl millimeter-grote deeltjes door de absorptie van straling naar de ster toe spiraliseren: het Poynting-Robertsoneffect. Als een sterschijf alleen uit kleine deeltjes bestond, zou hij binnen een miljoen jaar zijn verdwenen. Dit betekent dat er voortdurend nieuw stof moet worden geproduceerd, mogelijk door onderlinge botsingen tussen reeds ontstane planetoïde-achtige objecten of de verdamping van komeetachtige objecten.

De door ISO gemeten sterschijven bevatten momenteel naar schatting ongeveer een honderdste aardmassa aan stof. Als dit stof in pakweg 100.000 jaar wordt weggeveegd en 400 miljoen jaar lang moet worden aangevuld, zou er in totaal minstens 40 maal de massa van de aarde aan stof moeten worden geproduceerd. Een andere berekening, gebaseerd op botsingsfrequenties van grotere objecten, levert een massa op die vele tientallen malen groter is. komeetkernen

Habing en zijn collega's denken dat de sterren die een schijf hebben zich in dezelfde fase bevinden als waarin ons zonnestelsel zich bevond toen daarin de planeten en planetoïden, de gordel van ijswerelden buiten de baan van Neptunus (de Kuipergordel) en de uitgestrekte wolk van komeetkernen rond de zon (de Oortwolk) ontstonden. In het zonnestelsel vond toen een soort grote schoonmaak plaats, waarbij de vier reuzenplaneten een deel van achtergebleven materieklonters naar de binnendelen van het zonnestelsel slingerden en een ander deel tot ver buiten het zonnestelsel werd geslingerd.

Het intrigerende is nu dat deze processen ongeveer 400 tot 800 miljoen jaar na de geboorte van het zonnestelsel zouden hebben plaatsgevonden: een tijdschaal die goed aansluit bij de levensverwachting van de door ISO waargenomen sterschijven. En dat zou kunnen betekenen dat het verdwijnen van de stofschijven eenvoudigweg het gevolg is van het voltooien van een `grote schoonmaak' rond deze sterren. Als die schoonmaak is voltooid, wordt er niet meer voldoende stof geproduceerd. De astronomen hebben echter nog geen antwoord op de vraag waarom 9 procent van de sterren er in slaagt om ook na soms miljarden jaren nog een waarneembare stofschijf in stand te houden.