Een wetenschappelijke ontdekking gedaan door een internationaal team, geleid door onderzoekers van de Universiteit van São Paulo (USP), onthulde een ongekende methode voor het detecteren van sterren die hun planeten hebben opgegeten. Het innovatieve proces is gebaseerd op het identificeren van veranderingen in de hoeveelheid beryllium, een chemisch element dat relatief weinig voorkomt, en belooft een nieuwe benadering om te begrijpen hoe planetaire systemen zich ontwikkelen.
De studie, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics, onderzocht een paar sterren van het zonnetype, aangeduid als HD 129171 en HD 129209. Deze sterren, die qua fysieke, chemische en magnetische activiteit vergelijkbare kenmerken hebben als onze zon, vormen een binair systeem.
De aanvankelijke verwachting was dat dubbelsterren, die tegelijkertijd uit dezelfde moleculaire wolk zijn geboren, een vrijwel identieke chemische samenstelling zouden hebben. Wetenschappers hebben echter opmerkelijke verschillen tussen de twee waargenomen.
Ontdekking van innovatieve methode voor het volgen van sterren
De ster HD 129171 vertoonde een hoog gehalte aan vuurvaste elementen, elementen die normaal gesproken condenseren tot een vaste toestand en rotsachtige planeten vormen. Anne Rathsam, promovendus aan het Instituut voor Astronomie, Geofysica en Atmosferische Wetenschappen (IAG-USP) en hoofdauteur van het artikel, verklaarde dat deze bevinding sterk wijst op de opname van planetair materiaal langs het evolutionaire traject van de ster.
Hoewel de mogelijkheid dat sommige sterren planeten of fragmenten daarvan bevatten al werd overwogen, is de grote bijdrage van dit werk het voor de eerste keer bewijzen dat de variatie in de overvloed aan beryllium in dubbelsterren kan dienen als een betrouwbare indicator van dit fenomeen.
De essentiële rol van beryllium bij het identificeren van kosmische gebeurtenissen
Beryllium valt op omdat het tijdens de levensduur van een ster niet in de sterkern wordt geproduceerd. De detectie ervan in het door een ster uitgezonden licht fungeert dus als een waarschuwingssignaal en wijst erop dat de ster rotsachtig materiaal, zoals overblijfselen van planeten, lang na zijn oorspronkelijke vorming heeft geabsorbeerd.
De onderzoekers verduidelijken dat lithium, beryllium en boor een bijzonderheid vertegenwoordigen in de chemische samenstelling van het universum. Terwijl andere chemische elementen voortkomen uit de primordiale of stellaire nucleosynthese, worden beryllium en boor voornamelijk gecreëerd door een proces dat ‘kosmische spallatie’ wordt genoemd. Daarin desintegreren hoogenergetische deeltjes dichtere kernen, zoals koolstof, stikstof en zuurstof, waardoor lichtere elementen ontstaan.
Hoewel lithium ook grotendeels afkomstig is van spallatie – met een minimaal deel van de oorspronkelijke nucleosynthese en zeldzame productie in specifieke soorten sterren – werd het eerder gebruikt als een mogelijke marker van planetaire verzwelging. Rathsam benadrukt echter dat beryllium duurzamer is, waardoor de chemische signatuur ervan langer kan blijven bestaan.
Gedetailleerde observaties onthullen de opname van planetaire materie
Om het onderzoek uit te voeren gebruikte het team gegevens van de UVES-spectrograaf, een instrument geïnstalleerd op de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory (ESO), gevestigd in Chili. Deze uiterst nauwkeurige apparatuur is in staat sterlicht te ontbinden in verschillende golflengten, waardoor uiterst subtiele chemische kenmerken kunnen worden geïdentificeerd.
Uit de resultaten van de waarnemingen bleek dat HD 129171 een aanzienlijk groter aantal vuurvaste elementen bevat, zoals ijzer, magnesium, silicium, calcium en titanium, vergeleken met zijn begeleider HD 129209. Bovendien heeft deze ster een overmaat aan zowel lithium als beryllium. Volgens wetenschappers komt het waargenomen patroon overeen met de absorptie van rotsachtig materiaal dat overeenkomt met meer dan elf keer de massa van de aarde.
Rathsam legde uit dat de oorsprong van dit materiaal ofwel afkomstig kan zijn van een enkele grote planeet, ofwel van de som van verschillende kleinere lichamen. In sterren die vergelijkbaar zijn met de zon is de interne menging echter zo efficiënt dat de uiteindelijke chemische signatuur ons niet in staat stelt onderscheid te maken tussen deze twee scenario’s.
Gewelddadige dynamiek van stellaire systemen en de zeldzaamheid van stabiliteit
Hoewel chemische analyse de belangrijkste oorspronkelijke bijdrage van het onderzoek is, hebben de auteurs, met de keuze van beryllium als marker voor planetaire verzwelging, ook de dynamische mechanismen onderzocht die ertoe kunnen leiden dat planeten worden geabsorbeerd door hun gaststerren. Dergelijke mechanismen omvatten zwaartekrachtinteracties tussen planeten, verstoringen veroorzaakt door begeleidende sterren en orbitale migratieprocessen. Deze factoren kunnen resulteren in extreem excentrische en onstabiele banen, wat leidt tot het uitwerpen van planeten, botsingen daartussen of hun uiteindelijke opname door de centrale ster.
Een cruciale conclusie uit het onderzoek suggereert de mogelijke schaarste aan stabiele systemen, zoals ons zonnestelsel. Jorge Luis Melendez Moreno, professor bij IAG-USP en adviseur van het onderzoek, merkt op dat verschillende onafhankelijke bewijsstukken deze hypothese bevestigen. Computersimulaties van de vorming van planeten geven aan dat configuraties vergelijkbaar met die van het zonnestelsel – met gasreuzen in bijna cirkelvormige buitenbanen en rotsachtige planeten in stabiele binnenbanen – niet vaak voorkomen. Bovendien hebben observationele onderzoeken van zonachtige sterren weinig Jupiter-analogen aan het licht gebracht in banen die vergelijkbaar zijn met die van onze gasreus.
Melendez wijst erop dat bij het analyseren van gegevens uit dynamische simulaties, observaties van exoplaneten en chemische studies van dubbelsterren een consistent scenario naar voren komt, wat suggereert dat systemen zoals de zonne-energie wellicht minder vaak voorkomen dan eerder werd gedacht. Dit impliceert dat orbitale stabiliteit, cruciaal voor het voortbestaan van bewoonbare omgevingen gedurende miljarden jaren, een zeldzame uitzondering kan zijn, waardoor het inzicht in de omstandigheden die nodig zijn voor de evolutie van complex leven in het universum toeneemt.
Implicaties voor stervorming en de zoektocht naar complex leven
Melendez voegt eraan toe dat binaire systemen op grote schaal voorkomen in de Melkweg, waarbij schattingen aangeven dat ongeveer de helft van de sterren in de Melkweg een zwaartekrachtgenoot heeft. Omdat de twee sterren van een dubbelstersysteem gelijktijdig en uit dezelfde moleculaire wolk ontstaan, vormen de chemische verschillen die tussen hen worden waargenomen een sterke indicatie dat daaropvolgende processen, zoals de opname van planeten, hun oorspronkelijke samenstelling hebben veranderd.
Rathsam wijst erop dat, hoewel de planeten in ons systeem relatief stabiele banen met een lage excentriciteit hebben, de frequentie van planetaire verzwelging erop wijst dat veel stersystemen turbulente dynamische fasen doorlopen. Dergelijke instabiliteit, benadrukt ze, heeft directe gevolgen voor het bestaan van complex leven. Wil het leven niet alleen kunnen ontstaan en evolueren over miljarden jaren, maar ook kunnen gedijen, dan moet een planeet een voldoende stabiele baan behouden, beschermd tegen significante verstoringen van de zwaartekracht.
Naast dat het nieuw licht werpt op de evolutie van planetaire systemen, heeft het onderzoek ook invloed op theorieën over stervorming en de techniek die bekend staat als ‘chemical tagging’, die wordt gebruikt om de geschiedenis van de Melkweg te reconstrueren op basis van de chemische samenstelling van sterren.
Als de chemische variaties die in dubbelsterren worden waargenomen voortkomen uit heterogeniteiten in de oerwolk die ze heeft voortgebracht, zou een herziening van de huidige modellen van stervorming noodzakelijk zijn. De door het team behaalde resultaten versterken echter de hypothese van planetaire inname.
Het onderzoek omvatte de deelname van wetenschappers van USP, de Poolse Academie van Wetenschappen, de Chinese Academie van Wetenschappen, Monash University in Australië en Italiaanse astronomische observatoria, met financiële steun van Fapesp via een thematisch project gecoördineerd door Melendez.