Ein wissenschaftlich genaues Modell von Beta Pictoris und seiner Scheibe. Bildnachweis: NAOJ. klicken um zu vergrößern
Die Gas- und Staubscheiben, die neugeborene Sterne umgeben, werden als protoplanetare Scheiben bezeichnet; von denen man annimmt, dass sie Regionen sind, in denen sich schließlich Planeten bilden werden. Diese Scheiben verschwinden, wenn die Sterne reifen, aber einige Sterne sind immer noch mit einer Materiewolke um sie herum zu sehen, die als Trümmerscheiben bezeichnet wird. Eine der bekanntesten davon ist die nur 60 Lichtjahre entfernte Scheibe um Beta Pictoris.
Planeten bilden sich in Gas- und Staubscheiben, die neugeborene Sterne umgeben. Solche Scheiben werden als protoplanetare Scheiben bezeichnet. Der Staub in diesen Scheiben wird zu Gesteinsplaneten wie der Erde und den inneren Kernen von riesigen Gasplaneten wie dem Saturn. Dieser Staub ist auch ein Speicher von Elementen, die die Grundlage des Lebens bilden.
Protoplanetare Scheiben verschwinden, wenn Sterne reifen, aber viele Sterne haben sogenannte Trümmerscheiben. Astronomen gehen davon aus, dass, sobald Objekte wie Asteroiden und Kometen aus der protoplanetaren Scheibe geboren sind, Kollisionen zwischen ihnen eine sekundäre Staubscheibe erzeugen können.
Das bekannteste Beispiel für solche Staubscheiben ist diejenige, die den zweithellsten Stern im Sternbild Pictor umgibt, was „Malerstaffelei“ bedeutet. Dieser Stern, bekannt als Beta Pictoris oder Beta Pic, ist ein sehr enger Nachbar der Sonne, nur sechzig Lichtjahre entfernt und daher leicht im Detail zu untersuchen.
Beta Pic ist doppelt so hell wie die Sonne, aber das Licht der Scheibe ist viel schwächer. Die Astronomen Smith und Terrile waren die ersten, die 1984 dieses schwache Licht entdeckten, indem sie das Licht des Sterns selbst mit einer Technik namens Koronographie blockierten. Seitdem haben viele Astronomen die Beta Pic-Scheibe mit immer besseren Instrumenten und boden- und weltraumgestützten Teleskopen beobachtet, um den Geburtsort der Planeten und damit des Lebens im Detail zu verstehen.
Ein Team von Astronomen des National Astronomical Observatory of Japan, der Nagoya University und der Hokkaido University kombinierte zum ersten Mal mehrere Technologien, um ein Infrarot-Polarisationsbild der Beta Pic-Scheibe mit besserer Auflösung und höherem Kontrast als je zuvor zu erhalten: ein Teleskop mit großer Öffnung ( das Subaru-Teleskop mit seinem großen 8,2-Meter-Hauptspiegel), adaptiver Optiktechnologie und einem koronagraphischen Imager, der Bilder von Licht mit unterschiedlichen Polarisationen aufnehmen kann (Coronagraphic Imager with Adaptive Optics, CIAO von Subaru).
Ein Teleskop mit großer Öffnung, insbesondere mit der großartigen Abbildungsqualität von Subaru, ermöglicht es, schwaches Licht mit hoher Auflösung zu sehen. Die adaptive Optiktechnologie reduziert die verzerrenden Auswirkungen der Erdatmosphäre auf das Licht und ermöglicht Beobachtungen mit höherer Auflösung. Koronagraphie ist eine Technik zum Blockieren von Licht von einem hellen Objekt wie einem Stern, um schwächere Objekte in seiner Nähe zu sehen, wie Planeten und Staub, die einen Stern umgeben. Durch Beobachtung von polarisiertem Licht kann reflektiertes Licht von Licht unterschieden werden, das direkt von seiner ursprünglichen Quelle kommt. Polarisation enthält auch Informationen über die Größe, Form und Ausrichtung von Staub, der Licht reflektiert.
Mit dieser Kombination von Technologien gelang es dem Team, Beta Pic im Infrarotlicht von zwei Mikrometern Wellenlänge mit einer Auflösung von einer Fünftel Bogensekunde zu beobachten. Diese Auflösung entspricht der Fähigkeit, ein einzelnes Reiskorn aus einer Meile oder ein Senfkorn aus einem Kilometer Entfernung zu sehen. Das Erreichen dieser Auflösung stellt eine enorme Verbesserung gegenüber vergleichbaren früheren polarimetrischen Beobachtungen aus den 1990er Jahren dar, die nur Auflösungen von etwa eineinhalb Bogensekunden hatten.
Die neuen Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass die Scheibe von Beta Pic Planetesimale, Asteroiden oder kometenähnliche Objekte enthält, die kollidieren, um Staub zu erzeugen, der Sternenlicht reflektiert.
Die Polarisation des von der Scheibe reflektierten Lichts kann die physikalischen Eigenschaften der Scheibe wie Zusammensetzung, Größe und Verteilung aufdecken. Ein Bild des gesamten Lichts mit einer Wellenlänge von zwei Mikrometern zeigt die lange dünne Struktur der Scheibe, die fast am Rand zu sehen ist. Die Polarisation des Lichts zeigt, dass zehn Prozent des zwei Mikrometer großen Lichts polarisiert sind. Das Polarisationsmuster zeigt an, dass das Licht eine Reflexion von Licht ist, das vom Zentralstern stammt.
Eine Analyse, wie sich die Helligkeit der Scheibe mit der Entfernung von der Mitte ändert, zeigt eine allmähliche Abnahme der Helligkeit mit einer kleinen Oszillation. Die leichte Helligkeitsschwankung entspricht Schwankungen in der Dichte der Scheibe. Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass dichtere Regionen den Kollisionen von Planetesimalen entsprechen. Ähnliche Strukturen wurden bei früheren Beobachtungen bei längeren Wellenlängen mit Subarus COoled Mid-Infrared Camera and Spectrograph (COMICS) und anderen Instrumenten näher am Stern beobachtet.
Eine ähnliche Analyse, wie sich die Polarisation mit der Entfernung vom Stern ändert, zeigt eine Abnahme der Polarisation in einer Entfernung von einhundert astronomischen Einheiten (eine astronomische Einheit ist die Entfernung zwischen Erde und Sonne). Dies entspricht einem Ort, an dem auch die Helligkeit abnimmt, was darauf hindeutet, dass es in dieser Entfernung vom Stern weniger Planetesimale gibt.
Als das Team Modelle der Beta Pic-Scheibe untersuchte, die sowohl die neuen als auch die alten Beobachtungen erklären können, fanden sie heraus, dass der Staub in der Beta Pic-Scheibe mehr als zehnmal größer ist als typische Körner interstellaren Staubs. Beta Pics Staubscheibe besteht wahrscheinlich aus mikrometergroßen losen Klumpen von Staub und Eis wie winzige Staubhasen in Bakteriengröße.
Zusammen liefern diese Ergebnisse einen sehr starken Beweis dafür, dass die Scheibe, die Beta Pic umgibt, durch die Bildung und Kollision von Planetesimalen erzeugt wird. Der Detaillierungsgrad dieser neuen Informationen festigt unser Verständnis der Umwelt, in der sich Planeten bilden und entwickeln.
Motohide Tamura, die das Team leitet, sagt: „Nur wenige Menschen waren in der Lage, den Geburtsort von Planeten zu studieren, indem sie polarisiertes Licht mit einem großen Teleskop beobachteten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dies ein sehr lohnender Ansatz ist. Wir planen, unsere Forschung auf andere Scheiben auszudehnen, um ein umfassendes Bild davon zu bekommen, wie sich Staub in Planeten verwandelt.“
Diese Ergebnisse wurden in der Ausgabe des Astrophysical Journal vom 20. April 2006 veröffentlicht.
Teammitglieder: Motohide Tamura, Hiroshi Suto, Lyu Abe (NAOJ), Misato Fukagawa (Nagoya University, California Institute of Technology), Hiroshi Kimura, Tetsuo Yamamoto (Hokkaido University)
Diese Forschung wurde vom japanischen Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie durch einen Zuschuss für wissenschaftliche Forschung in Schwerpunktbereichen für die „Entwicklung der extrasolaren Planetenwissenschaft“ unterstützt.
Originalquelle: NAOJ-Pressemitteilung
