Astronomen vinden unieke dubbele puinschijf rond witte dwerg

Astronomen hebben een unieke dubbele puinschijf ontdekt rond de witte dwerg WD J1328−1450. Deze ontdekking laat zien dat twee overlevende planetesimalen verantwoordelijk zijn voor het in stand houden van twee gescheiden gasringen, wat nieuwe inzichten biedt in de evolutie van planetenstelsels, inclusief ons eigen zonnestelsel.

Witte dwergen zijn de compacte, uitgedoofde kernen die overblijven nadat sterren zoals onze zon hun nucleaire brandstof hebben uitgeput. Bij sommige van deze sterrenresten cirkelt nog puin van planeten die de dood van hun moederster niet hebben overleefd. Tot nu toe zijn er 21 bekende systemen met een gasrijke puinschijf, maar deze vertoonden allemaal een vergelijkbare structuur: een enkele, platte en roterende schijf. Onder leiding van astrofysicus Nicola Pietro Gentile Fusillo van de Università degli Studi di Trieste in Italië heeft een internationaal team nu echter een afwijkend patroon ontdekt.

Met de X-shooter-spectrograaf op de Very Large Telescope van de European Southern Observatory (ESO) in Chili observeerden de wetenschappers de witte dwerg WD J1328−1450, die zich op ongeveer 1.600 lichtjaar van de aarde bevindt. In het spectrum van de ster ontdekten ze emissielijnen van calcium, zuurstof, magnesium en ijzer, wat wijst op gas dat om de witte dwerg draait. In tegenstelling tot eerder bestudeerde systemen vertoont WD J1328−1450 vier pieken in zijn spectrum, wat duidt op twee afzonderlijke gasringen die van elkaar gescheiden zijn door een lege ruimte.

De binnenste ring strekt zich uit van ongeveer 0,14 tot 0,34 R⊙ (waarbij 1 R⊙ gelijk is aan de straal van de zon, oftewel 695.700 km) en de buitenste ring van ongeveer 0,54 tot 1,93 R⊙. Dit komt overeen met een afstand van ongeveer 100.000 tot 240.000 kilometer voor de binnenring en 375.000 tot meer dan 1,3 miljoen kilometer voor de buitenring. Aangezien gas op verschillende afstanden met verschillende snelheden rond de witte dwerg beweegt, dragen beide ringen elk bij aan het spectrum, wat resulteert in de vier pieken.

Observaties uit 2021 en 2023 tonen aan dat de structuur van de ringen in deze periode vrijwel onveranderd is gebleven. Dit wijst op een opvallende stabiliteit, ondanks de ruwe omstandigheden rond een ster die zijn buitenlagen heeft afgestoten. Deze stabiliteit roept de vraag op wat de gasringen bij elkaar houdt en voorkomt dat het gas zich verspreidt en de lege zone tussen de ringen opvult.

De chemische samenstelling van het gas biedt enkele aanwijzingen. De binnenring bevat duidelijk magnesium, terwijl de buitenring geen vergelijkbaar magnesiumsignaal vertoont. Dit wijst erop dat de buitenring aanzienlijk minder magnesium bevat dan de binnenring. Dit chemische verschil is van belang, aangezien verschillende soorten planetaire materie verschillende verhoudingen tussen magnesium en calcium vertonen. De onderzoekers suggereren dat de twee ringen mogelijk worden gevoed door twee verschillende planeten of door verschillende lagen puin van één gebroken planeet, zoals een magnesiumrijke mantel en een magnesiumarme korst.

Om de dubbele structuur in stand te houden, is er een mechanisme nodig dat op twee verschillende plaatsen gas produceert en voorkomt dat dit gas zich vermengt. De auteurs stellen dat de meest waarschijnlijke verklaring de aanwezigheid is van twee dichte planetesimalen die elk binnen hun eigen ring draaien. Planetesimalen zijn vaste, kiezel- tot kilometergrote objecten in een jonge protoplanetaire schijf die de bouwstenen voor planeten vormen. Door interactie met stofdeeltjes zouden deze lichamen voortdurend gas vrijgeven, dat vervolgens naar buiten stroomt en afkoelt, waardoor het weer condenseert tot vaste stof voordat het verder weg kan stromen.

De exacte afmetingen van de twee planetesimalen zijn niet direct meetbaar, maar de positie van de ringen geeft wel grenzen aan. Het binnenste lichaam moet zich tussen de 0,14 en 0,34 zonneradii bevinden, terwijl het buitenste tussen 0,54 en 1,93 zonneradii moet zitten. Om niet door de getijdenkrachten van de witte dwerg uit elkaar getrokken te worden, moeten beide lichamen voldoende zelfcohesie hebben. Modelberekeningen suggereren dat het binnenste object enkele tientallen kilometers groot is, terwijl het buitenste kan variëren van de grootte van Ceres (975 km) tot die van Pluto (2.376 km) of zelfs de maan (3.475 km).

Deze ontdekking is meer dan alleen een wetenschappelijke curiositeit. Hoewel puinschijven rond witte dwergen al twee decennia bekend zijn, is er nog veel onduidelijkheid over hun vorming, configuratie en evolutie. De dubbele schijf van WD J1328−1450 biedt nieuwe observaties die modellen moeten herzien. Bovendien werpt de structuur vragen op bij bestaande verklaringen voor de oorsprong van gas, zoals sublimatie aan de binnenrand van een stofschijf of een botsingscascade, aangezien geen van deze scenario’s volledig verklaart waarom het gas in twee gescheiden ringen is geconcentreerd.

Er is ook een interessante gelijkenis met structuren in protoplanetaire schijven, waaruit planeten ontstaan. Ondanks de aanzienlijke verschillen in schaal en de aard van de centrale ster, suggereert dit systeem dat vergelijkbare processen zowel de vorming als de ondergang van planetenstelsels beïnvloeden. Aangezien onze zon in de komende miljarden jaren ook een witte dwerg zal worden, roept dit de vraag op hoe planeten dat uiteindelijke einde zullen overleven.