370 Lichtjahre von uns entfernt produziert ein Sonnensystem Babyplaneten. Der Stern im Zentrum ist jung, nur etwa 6 Millionen Jahre alt. Und seine Babys sind zwei riesige Planeten, wahrscheinlich beide Gasriesen, die sich von gasförmiger Materie aus der Zirkumsolarscheibe des Sterns ernähren.
Der Wirtsstern in diesem System heißt PDS 70. PDS 70 ist etwas kleiner und weniger massiv als unsere Sonne und akkretiert selbst immer noch Materie. Dieser junge Star ist ein T Tauri-Stern, was im Grunde bedeutet, dass sie sehr jung sind und gerade erst ins Leben einsteigen. Da es so jung ist, bilden sich noch Planeten in einer Umlaufbahn um es herum. Und zu sehen, wie sich im Entstehen begriffene Planeten immer noch bilden, ist etwas, womit Astronomen erst jetzt anfangen, gut zu werden.
„Dies ist der erste eindeutige Nachweis eines Zwei-Planeten-Systems, das eine Disk-Lücke schneidet.“
Julien Girard, Wissenschaftsinstitut für Weltraumteleskope.
Was die Bilder dieser jungen, sich noch im Aufbau befindlichen Planeten interessant macht, ist, dass sie Beweise für unsere langjährige Theorie zur Entstehung von Planeten in jungen Sonnensystemen sind. Diese Theorie heißt die Nebelhypothese und es gibt es schon seit Jahrzehnten, aber ohne die Beobachtungsbeweise, die es untermauern.
Die Nebelhypothese
Sterne bilden sich aus massiven Wolken aus meist Wasserstoff, genannt Molekülwolken . Molekülwolken sind gravitativ instabil und das Gas neigt dazu, sich zu verklumpen. Irgendwann fängt einer dieser Klumpen an zu schneien und wird immer größer. Dabei wird die Wolke wie ein Pfannkuchen flach und beginnt sich zu drehen, und wenn der zentrale Klumpen dicht genug wird, entzündet er sich zu einer Fusion und ein Stern wird geboren. Viele Sterne befinden sich in Doppelsternsystemen, wenn sich aus der Molekülwolke zwei Sterne bilden.
Aber der Stern in der Mitte ist nicht der einzige Klumpen. Andere, kleinere Klumpen bilden sich im rotierenden Gas und können sich zu Planeten formen. Einige der Gasplaneten, wie Jupiter und Saturn in unserem eigenen Sonnensystem, können wirklich groß werden. (Astronomen bezeichnen Jupiter und Saturn manchmal als „gescheiterte Sterne“, weil sie auf dem Weg waren, Sterne zu werden, aber nicht ganz dorthin gelangen konnten.)
Könnte man den Prozess dort einfrieren, würde man im Zentrum einer flachen, rotierenden Gaswolke einen jungen Stern sehen. Aber im Gas würden Sie ringförmige Lücken sehen, in denen Planeten damit beschäftigt sind, Material aufzufegen und, nun ja, Planeten zu werden. Dieser Vorgang wird Akkretion genannt. Und es ist keine Molekülwolke mehr, sondern wird jetzt „protoplanetare Scheibe“ genannt, weil es eine Scheibenform hat und sich darin Protoplaneten bilden.
Und genau das sehen Astronomen.
ALMAs bisher bestes Bild einer protoplanetaren Scheibe. Dieses Bild des nahen jungen Sterns TW Hydrae zeigt die klassischen Ringe und Lücken, die bedeuten, dass sich in diesem System Planeten bilden. Bildnachweis: S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Die tatsächlichen Planeten sehen
Das Coole an diesen neuen Bildern ist, dass wir nicht nur die Lücken und Ringe sehen können, die die Anwesenheit eines Planeten signalisieren, sondern auch echte Planeten selbst. Und es ist erst das zweite Mal, dass wir mit Sicherheit ein Zwei-Planeten-System gesehen haben, das Lücken in der Scheibe macht. (Ein Vier-Planeten-System namens HR 8799 wurde 2008 abgebildet.)
„Wir waren sehr überrascht, als wir den zweiten Planeten fanden.“
Sebastiaan Haffert, Hauptautor, Leiden Observatorium.
„Dies ist der erste eindeutige Nachweis eines Zwei-Planeten-Systems, das eine Scheibenlücke schneidet“, sagte Julien Girard vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland.
In diesem neue Studie , veröffentlicht in der 3. Juni-Ausgabe von Naturastronomie , nutzte das Astronomenteam die MUSE Spektrograph am Very Large Telescope (VLT.) der Europäischen Südsternwarte
Das Innere einer protoplanetaren Scheibe zu sehen ist eine schwierige Aufgabe. Der Stern ist nicht nur wirklich hell und dominiert das Bild, sondern das gesamte Gas und der gesamte Staub in der Scheibe können das Licht der entstehenden Planeten blockieren. Das MUSE-Instrument hat die Fähigkeit, das vom Wasserstoff in der Wolke emittierte Licht zu erfassen, was ein Zeichen dafür ist, dass sich Wasserstoff in noch entstehenden Planeten ansammelt.
„Wir waren sehr überrascht, als wir den zweiten Planeten fanden“, sagte Sebastiaan Haffert vom Leiden Observatory, Hauptautor des Papiers.
„Mit Einrichtungen wie SEELE , Hubble oder große bodengestützte optische Teleskope mit adaptiver Optik sehen wir überall Scheiben mit Ringen und Lücken. Die offene Frage war, gibt es dort Planeten? In diesem Fall lautet die Antwort ja“, erklärte Girard.
Astronomen haben viele Scheiben mit verräterischen Lücken entdeckt, aber die tatsächlichen Planeten zu entdecken, die diese Lücken erzeugen, war sehr schwierig. Dieses Bild ist eine Sammlung von ALMAs hochauflösenden Bildern von nahegelegenen protoplanetaren Scheiben, die Ergebnisse des Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) sind. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Was das Team entdeckte, war ein Planet namens PDS 70c. (Ein anderer Planet im gleichen System, PDS 70b genannt, war zuerst gesichtet vor etwa einem Jahr.)
Der neue Planet, PDS 70c, befindet sich in der Nähe des äußeren Randes der Scheibe und ist ungefähr 3,3 Milliarden Meilen vom Stern entfernt. Das ist ungefähr die gleiche Entfernung, die Neptun von der Sonne hat. Astronomen haben nur vorläufige Schätzungen der Masse des Planeten, aber sie schätzen, dass PDS 70c zwischen 1 und 10 Mal so massiv ist wie Jupiter.
Der zuvor entdeckte Planet PDS 70b ist etwa 3 Milliarden Kilometer vom Stern entfernt, ungefähr so wie Uranus in unserem Sonnensystem. Seine Masse beträgt das 4- bis 17-fache der Masse des Jupiter.
PDS 70 ist erst das zweite Multiplanetensystem, das direkt abgebildet wird. Durch eine Kombination aus adaptiver Optik und Datenverarbeitung konnten Astronomen das Licht des Zentralsterns (markiert durch einen weißen Stern) auslöschen, um zwei Exoplaneten im Orbit zu enthüllen. PDS 70 b (unten links) wiegt 4- bis 17-mal so viel wie Jupiter, während PDS 70 c (oben rechts) 1- bis 10-mal so viel wiegt wie Jupiter. Bildquelle: ESO und S. Haffert (Leiden-Observatorium)
Jetzt warten wir. Für das James-Webb-Teleskop
Für den MUSE-Spektrographen ist es ein glücklicher Zufall, Bilder von diesen jungen Exoplaneten zu bekommen. Das Instrument wurde ursprünglich entwickelt, um Galaxien und Sternhaufen zu untersuchen. Aber wie sich herausstellt, ist es gut, Exoplaneten im Entstehungsprozess zu entdecken. Und dieser Unfall hat dazu beigetragen, die Nebelhypothese von einer Hypothese zu einer akzeptierten Theorie zu entwickeln.
„Dieses neue Beobachtungsmodus wurde entwickelt, um Galaxien und Sternhaufen mit höherer räumlicher Auflösung zu untersuchen. Aber dieser neue Modus macht es auch für die Exoplaneten-Bildgebung geeignet, die nicht der ursprüngliche wissenschaftliche Antrieb für das MUSE-Instrument war“, sagte Haffert.
In der Zukunft (der Zukunft, die sich immer wieder verzögert) James Webb Weltraumteleskop (JWST) wird die Erforschung junger Planeten, die sich in diesen Scheiben bilden, vorantreiben. Sobald das endlose Warten auf dieses fortschrittliche Weltraumteleskop vorüber ist, sollte seine Leistung es Astronomen ermöglichen, sich auf ganz bestimmte Wellenlängen des Lichts einzustellen, das von anwachsendem Wasserstoff emittiert wird.
Der Hauptspiegel des James-Webb-Weltraumteleskops in all seiner strahlenden Pracht! Bild: NASA/Chris Gunn
Das bedeutet, dass die Wissenschaftler die Temperatur des Wasserstoffgases in der Scheibe sowie seine Dichte messen können. Beides zu wissen wird uns helfen, wirklich zu verstehen, wie Gasriesenplaneten entstehen.
Aber im Moment haben wir zumindest Bilder der Planeten, und wenn Astronomen in die Galaxie hinausblicken und diese jungen Sternensysteme und die Lücken in den Scheiben sehen, können sie sicher sein, dass es dort tatsächlich Planeten gibt.
