Astronomen sind sich sicher, dass dies zwei neugeborene Planeten sind, die einen entfernten Stern umkreisen

Die Planetenentstehung ist eine notorisch schwierig zu beobachtende Sache. Aufstrebende Planeten sind in staubigen Gebärmuttern versteckt, die unseren besten Beobachtungsversuchen widerstehen. Aber in letzter Zeit haben Astronomen Fortschritte bei der Abbildung dieser planetarischen Neugeborenen gemacht.

Eine neue Studie präsentiert die ersten direkten Bilder von Zwillings-Babyplaneten, die sich um ihren Stern bilden.

Die Studie trägt den Titel „ Keck/NIRC2 L’-Band Imaging von Jupiter-Massenakkretions-Protoplaneten um PDS 70 .“ Der Hauptautor ist Jason Wang von Caltech. Die Studie ist im Astronomical Journal erschienen.

Die stolze Mama ist PDS 70 , ein Stern im Sternbild Centaurus. Es ist etwa 370 Lichtjahre entfernt und hat eine Masse von etwa 0,82 Sonnenmassen. PDS 70 befindet sich in seinen besten gebärfähigen Jahren: nur etwa 10 Millionen Jahre alt.

Wenn es um die Bildung von Planeten geht, gibt es zwei Möglichkeiten: Kernakkretion und Scheibeninstabilität.

Die Kernakkretion eines terrestrischen Planeten beginnt mit Staub. Sobald sich genügend Staub ansammelt, bildet er ein felsengroßes Planetesimal. Größere Planetesimale können kleinere anwachsen, während einige Planetesimale kollidieren und zerbrechen. Über einen ausreichend langen Zeitraum sammelt sich genug Gesteinsmaterial, um Planetesimale von der Größe von Bergen zu bilden. Mit mehr Zeit und Material verschmilzt ein Protoplanet. Schließlich wird der Protoplanet massiv genug, um ein Planet zu sein, und irgendwann hat er das gesamte verfügbare Material mitgerissen und hört auf zu wachsen.

Es gibt einige Lücken in unserem Verständnis des Prozesses, aber schließlich bilden sich durch Akkretion Planeten, sowohl Gesteinsplaneten als auch Gasriesen. Und das alles spielt sich hinter einem staubigen Schleier ab.

In dieser Studie präsentieren Wissenschaftler Beweise für zwei Planeten von der Größe des Jupiters, die sich um PDS 70 herum durch Kernakkretion bilden.

Der erste Planet, PDS 70b, wurde 2018 erstmals aufgenommen. Bilder seines Geschwisters PDS 70c folgten 2019. Beide wurden mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte entdeckt. Aber zunächst waren die Bilder verwirrend und in der Materialscheibe, die den Stern umgab, nicht leicht zu erkennen.

Das Bild von PDS 70b von 2018. Es stammt vom SPHERE-Instrument auf dem VLT. Der Planet ist der helle Punkt rechts von der Mitte. Der Stern in der Mitte wird von den Koronographen verdunkelt. Bildnachweis: Von ESO/A. Müller et al., CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=70463981

'Es gab einige Verwirrung, als die beiden Protoplaneten zum ersten Mal abgebildet wurden', sagte Jason Wang, ein 51 Pegasi b Fellow der Heising-Simons Foundation am Caltech und Hauptautor der Studie. „Planetenembryonen entstehen aus einer Staub- und Gasscheibe, die einen neugeborenen Stern umgibt. Dieses zirkumstellare Material akkretiert auf dem Protoplaneten und bildet eine Art Nebelwand, die es schwierig macht, die staubige, gasförmige Scheibe in einem Bild von dem sich entwickelnden Planeten zu unterscheiden.“

Ein direktes Bild der PDS-70-Protoplaneten B und C (mit weißen Pfeilen gekennzeichnet) mit entfernter cicrumstellarer Scheibe. Das Bild wurde mit dem kürzlich aktualisierten adaptiven Optiksystem des W. M. KECK-Observatoriums aufgenommen.
Bildquelle: J. Wang, Caltech

Wie der Hauptautor Jason Wang betont, gab es bei den Originalbildern des Planetenpaars einige Unsicherheiten. In dieser Studie verwendete das Team einen neuen Infrarot-Pyramidenwellenfrontsensor für die adaptive Optik (AO)-Korrektur am W. M. Keck-Observatorium auf Maunakea in Hawaii. Diese Beobachtungen bestätigten die Existenz der Geschwister-Gasriesen.

Das PDS 70-System ist jetzt das erste bekannte multiplanetare System, bei dem Wissenschaftler die Planetenbildung beobachten können.

Um die Existenz des Paares zu bestätigen, entwickelte Wangs Team eine neue Methode, um die Planeten selbst von der zirkumstellaren Scheibe zu entwirren.

„Wir wissen, dass die Form der Scheibe ein symmetrischer Ring um den Stern sein sollte, während ein Planet ein einzelner Punkt im Bild sein sollte“, sagte Wang. „Selbst wenn ein Planet auf der Scheibe zu sitzen scheint, was bei PDS 70c der Fall ist, können wir basierend auf unseren Kenntnissen darüber, wie die Scheibe im gesamten Bild aussieht, ableiten, wie hell die Scheibe an der Stelle sein sollte den Protoplaneten und entfernen Sie das Plattensignal. Alles, was übrig bleibt, sind die Emissionen des Planeten.“ Einfach, oder?

Künstlerische Darstellung des PDS 70-Systems. Die beiden Planeten räumen eine Lücke in der protoplanetaren Scheibe, aus der sie geboren wurden. Die Planeten werden durch einfallendes Material erhitzt, das sie aktiv anwachsen, und leuchten rot. Beachten Sie, dass die Planeten und der Stern nicht maßstabsgetreu sind und im Vergleich zu ihren relativen Abständen viel kleiner wären. Bildquelle: W. M. Keck Observatorium/ Adam Makarenko

Das Keck-Observatorium auf Hawaii verfügt über zwei separate 10-Meter-Teleskope, die als Keck I und Keck II bezeichnet werden. Keck II hat die Nahinfrarot-Kamera (NIRC2). In Kombination mit Advanced Optics und einem neuen Infrarot-Pyramidenwellenfrontsensor hat das Teleskop einen Sprung nach vorne bei der Untersuchung von Exoplaneten gemacht und war der Schlüssel zur Bestätigung der beiden Planeten, die sich um PDS 70 bilden.

„Die neue Infrarot-Detektortechnologie, die in unserem Pyramiden-Wellenfrontsensor verwendet wird, hat unsere Fähigkeit, Exoplaneten zu untersuchen, dramatisch verbessert, insbesondere solche um Sterne mit geringer Masse, bei denen die Planetenbildung aktiv stattfindet“, sagte Sylvain Cetre, Softwareingenieur am Keck-Observatorium und einer der führenden Entwickler des AO-Upgrades. „Es wird uns auch ermöglichen, die Qualität unserer AO-Korrektur für schwieriger abzubildende Ziele wie das Zentrum unserer Galaxie zu verbessern.“

Der Keck II mit seinem Laserleitstern. Der Leitstern wird verwendet, um das adaptive Optiksystem des Teleskops zu kalibrieren. Bildquelle: Keck-Observatorium/Dick Lundholm

Der Studie zufolge ist PDS 70b ein Gasriese zwischen 2 und 4 Jupitermassen. 70 b hat eine Temperatur von etwa 1000 Grad Celsius, besitzt eine eigene Akkretionsscheibe und hat einen Bahnradius von etwa 3,2 Milliarden km. 70b ist einer der jüngsten abgebildeten Exoplaneten, etwa 5,4 ± 1,0 Myr alt. Die Autoren sagen, dass es jetzt keinen Zweifel mehr daran gibt, dass es sich um einen Planeten handelt, und schreiben: „Da es sich eindeutig in der Lücke in der Scheibe befand, ist PDS 70 b eindeutig ein Planet und kein Scheibenmerkmal.“

PDS 70c liegt zwischen 1 und 3 Jupitermassen. Seine Umlaufbahnentfernung ist mit etwa 5,3 Milliarden km viel größer als die des anderen Planeten. 70c befindet sich in einer 1:2-Umlaufresonanz mit 70b, was bedeutet, dass 70c eine Umlaufbahn des Sterns für jeweils zwei Umlaufbahnen abschließt, die 70b vollendet.

Die Beobachtungstechnologie wird immer stärker, und wir werden immer besser darin, in die zirkumstellaren Scheiben um junge Sterne zu blicken, in denen sich Planeten bilden. Das SPHERE-Instrument am Very Large Telescope der ESO hat eine Sammlung von Bildern der Scheiben um junge Sterne aufgenommen. Die Details in den Bildern sind größer als alle vorherigen Bilder und zeigen eine atemberaubende Vielfalt an Formen und Größen. In all diesen Scheiben bilden sich wahrscheinlich Planeten wie PDS 70b und 70c. Bild: ESO/H. Avenhaus et al./E. Sissa et al./DARTT-S und SHINE-Kooperationen

Beide Exoplaneten zeigen Hinweise auf ihre eigenen zirkumplanetaren Materialscheiben, die zeigen, dass die Planeten noch wachsen. Sobald sie alles verfügbare Material von der zirkumstellaren Scheibe in ihre eigenen zirkumplanetaren Scheiben aufgenommen haben, werden sie aufhören zu wachsen.

PDS 70b zeigt in seinen Spektren einige Hinweise auf Wasseraufnahme, aber das ist sehr dürftig. Da sie noch wachsen, hält das Wissenschaftlerteam es sogar für unwahrscheinlich, dass sie zu diesem Zeitpunkt erkennbare Atmosphären haben oder zumindest keine, die zu Planetenmodellen passen. „Angesichts der Tatsache, dass diese beiden Planeten anders als andere direkt abgebildete Planeten und Braune Zwerge darin sind, dass sie anscheinend immer noch von der zirkumstellaren Scheibe akkretieren, stellen wir fest, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass kein vorhandenes atmosphärisches Modell seinen SED genau beschreibt.“

Sie weisen auch darauf hin, dass die Planeten im Vergleich zu anderen abgebildeten Exoplaneten sehr geringe Massen haben. „Die Massenschätzungen machen PDS 70 b und c zu zwei der bisher masseärmsten direkt abgebildeten Planeten“, schreiben sie.

Diese Studie ist ein Paradebeispiel dafür, wie Technologie Entdeckungen vorantreiben kann. Ohne den neuen Infrarotsensor am Keck-II-Teleskop wäre diese Exoplaneten-Bestätigung nicht möglich gewesen.

„Neue Technologien sind ein Wissenschaftsmultiplikator“, sagt Peter Kurczynski, Programmdirektor am Nationale Wissenschaftsstiftung , die dieses Projekt finanziell unterstützt haben. „Es ermöglicht Untersuchungen, die vorher nie möglich waren.“

Mehr:

• Pressemitteilung: Astronomen bestätigen Existenz von zwei riesigen neugeborenen Planeten im PDS 70-System
• Forschungsbericht: Keck/NIRC2 DAS‘-Band Imaging von Jupiter-Massenakkretions-Protoplaneten um PDS 70
• Universum heute: Astronomen sehen, wie sich entzückende Babyplaneten um einen jungen Stern bilden