We weten dat water in vaste vorm (ijs) voorkomt op manen rond Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Telescopen hebben ook bevroren water gezien op dwergplaneten, kometen en andere stukken rots die “rondhangen” in de Kuipergordel aan de rand van ons zonnestelsel. Maar decennialang was het bestaan van waterijs rond andere sterren niet bevestigd. De James Webb ruimtetelescoop heeft daar ondubbelzinnig verandering in gebracht: Gegevens van zijn NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) bevestigden de aanwezigheid van waterijs in een stoffige puinschijf rond een ster die bekend staat als HD 181327. Waterijs heeft een grote invloed op de vorming van reuzenplaneten en kan ook door kometen worden afgeleverd aan volledig gevormde rotsachtige planeten. Nu onderzoekers met Webb waterijs hebben gedetecteerd, hebben ze voor alle onderzoekers de deur geopend om te bestuderen hoe deze processen zich op nieuwe manieren afspelen, in vele andere planetenstelsels.
Is bevroren water verspreid in stelsels rond andere sterren? Astronomen verwachten al lang van wel, deels op basis van eerdere ontdekkingen van de gasvorm waterdamp en de aanwezigheid ervan in ons eigen zonnestelsel. Nu is er definitief bewijs: Onderzoekers bevestigden de aanwezigheid van kristallijn waterijs in een stoffige puinschijf die op 155 lichtjaar afstand rond een zonachtige ster draait, met behulp van gedetailleerde gegevens die bekend staan als spectra van NASA's James Webb ruimtetelescoop. (De term waterijs specificeert de samenstelling ervan, omdat veel andere bevroren moleculen ook in de ruimte worden waargenomen, zoals kooldioxide-ijs, of “droog ijs”). In 2008 wezen gegevens van NASA's gepensioneerde Spitzer ruimtetelescoop op de mogelijkheid van bevroren water in dit systeem.
“Webb detecteerde ondubbelzinnig niet alleen waterijs, maar ook kristallijn waterijs, dat ook voorkomt op plekken zoals de ringen van Saturnus en ijzige lichamen in de Kuipergordel van ons zonnestelsel”, aldus Chen Xie, hoofdauteur van het nieuwe artikel en assistent-onderzoekswetenschapper aan de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. Al het bevroren water dat Webb heeft ontdekt, is gepaard gegaan met fijne stofdeeltjes in de hele schijf, als piepkleine “vuile sneeuwballen”. De resultaten zijn woensdag gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Astronomen wachten al tientallen jaren op deze definitieve gegevens. “Toen ik 25 jaar geleden afstudeerde, vertelde mijn adviseur me dat er ijs in brokstukken moest zitten, maar voordat Webb er was, hadden we geen instrumenten die gevoelig genoeg waren om deze waarnemingen te doen”, zegt Christine Chen, co-auteur en geassocieerd astronoom bij het Space Telescope Science Institute in Baltimore. “Het meest opvallende is dat deze gegevens lijken op andere recente waarnemingen van de telescoop van Kuipergordelobjecten in ons eigen zonnestelsel.”
Waterijs is een vitaal ingrediënt in schijven rond jonge sterren, het beïnvloedt sterk de vorming van reuzenplaneten en kan ook door kleine lichamen zoals kometen en asteroïden aan volledig gevormde rotsachtige planeten worden geleverd. Nu onderzoekers waterijs hebben gedetecteerd met Webb, hebben ze de deur geopend voor alle onderzoekers om te bestuderen hoe deze processen zich op nieuwe manieren afspelen in vele andere planetenstelsels.
Rotsen, stof, ijs razen rond
De ster, gecatalogiseerd als HD 181327, is aanzienlijk jonger dan onze zon. Hij wordt geschat op 23 miljoen jaar oud, vergeleken met de rijpere 4,6 miljard jaar van de zon. De ster heeft een iets grotere massa dan de zon en is heter, waardoor er een iets groter systeem omheen is gevormd. De waarnemingen van Webb bevestigen dat er een grote kloof is tussen de ster en zijn puinschijf, een groot gebied dat vrij is van stof. Verder weg lijkt de schijf van puin op de Kuipergordel van ons zonnestelsel, waar dwergplaneten, kometen en andere stukjes ijs en steen te vinden zijn (en soms met elkaar in botsing komen). Miljarden jaren geleden was onze Kuipergordel waarschijnlijk vergelijkbaar met de puinschijf van deze ster. “HD 181327 is een zeer actief systeem”, aldus Chen. "Er zijn regelmatig botsingen in de puinschijf. Als die ijzige lichamen botsen, komen er kleine deeltjes stoffig waterijs vrij die de perfecte grootte hebben om door Webb te worden gedetecteerd."
Bevroren water - bijna overal
Waterijs is niet gelijkmatig over dit systeem verdeeld. Het meeste ijs bevindt zich waar het het koudst is en het verst van de ster verwijderd is. “Het buitenste gebied van de puinschijf bestaat voor meer dan 20% uit waterijs,” zei Xie. Hoe dichterbij de onderzoekers keken, hoe minder waterijs ze vonden. In het midden van de puinschijf ontdekte Webb ongeveer 8% waterijs. Hier worden bevroren waterdeeltjes waarschijnlijk iets sneller geproduceerd dan vernietigd. In het gebied van de puinschijf dat het dichtst bij de ster ligt, ontdekte Webb bijna geen ijs. Waarschijnlijk verdampt het ultraviolette licht van de ster de dichtstbijzijnde waterijsdeeltjes. Het is ook mogelijk dat rotsen die bekend staan als planetesimalen bevroren water in hun binnenste hebben “opgesloten”, wat Webb niet kan detecteren.
Dit team en nog veel meer onderzoekers zullen blijven zoeken naar, en onderzoek doen naar, waterijs in brokstukken en actief gevormde planetenstelsels in ons hele Melkwegstelsel. “De aanwezigheid van waterijs helpt de vorming van planeten te vergemakkelijken,” zei Xie. “IJzige materialen kunnen uiteindelijk ook worden ‘afgeleverd’ bij aardse planeten die zich in de loop van een paar honderd miljoen jaar kunnen vormen in stelsels als deze.” De onderzoekers namen HD 181327 waar met Webb's NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), die supergevoelig is voor extreem zwakke stofdeeltjes die alleen vanuit de ruimte kunnen worden waargenomen.
Bron: NASA
