Hier sind 20 protoplanetare Scheiben mit neu entstehenden Planeten, die Lücken in Gas und Staub schnitzen

Die Jagd nach anderen Planeten in unserer Galaxie hat sich in den letzten Jahrzehnten intensiviert, wobei 3869 Planeten in 2.886 Systemen entdeckt wurden und weitere 2.898 Kandidaten auf ihre Bestätigung warten. Obwohl die Entdeckung dieser Planeten Wissenschaftler viel über die Arten von Planeten gelehrt hat, die in unserer Galaxie existieren, wissen wir immer noch nicht viel über den Prozess der Planetenentstehung.

Um diese Fragen zu beantworten, ein internationales Team zuletzt benutzt das Atacama Large Millimeter/Submillimeter-Array (ALMA), um die erste groß angelegte, hochauflösende Vermessung protoplanetarer Scheiben um nahe Sterne durchzuführen. Dieses Programm, das als Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) bekannt ist, lieferte hochauflösende Bilder von 20 nahe gelegenen Systemen, in denen Staub und Gas dabei waren, neue Planeten zu bilden.

Ihre Ergebnisse wurden in einer Reihe von zehn Papiere die in einer Sonderausgabe von . erscheinen sollenDie Briefe des Astrophysikalischen Journals. Das verantwortliche Team bestand aus Mitgliedern der Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), die Gemeinsames ALMA-Observatorium und mehrere Observatorien, Forschungsinstitute und Universitäten.

Die Konzeption dieses Künstlers zeigt einen neu entstandenen Stern, der von einer wirbelnden protoplanetaren Scheibe aus Staub und Gas umgeben ist. Kredit: Universität Kopenhagen/Lars Buchhave

In jedem Fall stellten die DSHARP-Forscher das Vorhandensein von Lücken in der Scheibe fest, die weit vom Zentralstern entfernt waren und die inneren und äußeren Teile der Scheibe abzugrenzen schienen. Die resultierenden Ringe waren je nach Entfernung vom Stern ebenfalls dicht gepackt oder bildeten dünnere Bänder. Diese Muster, so deuteten sie an, könnten das Ergebnis eines unsichtbaren planetarischen Begleiters sein, der die Scheibe störte.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Scheibenstrukturen einer globalen Instabilität unterliegen, ähnlich wie bei Spiralgalaxien (wie der Milchstraße). Laut den Forschern ist die überzeugendste Erklärung, dass sich große Planeten (wie Gasriesen) hauptsächlich in den äußeren Bereichen der Scheiben bildeten, was darauf hindeutet, dass die Planetenentstehung viel schneller stattfindet, als aktuelle Theorien über die Planetenentstehung zulassen.

Diese mögliche Erklärung würde auch helfen zu erklären, wie terrestrische Planeten (d. h. felsig und erdähnlich), die sich näher an ihren Sternen bilden, die frühen Stadien ihrer Entstehung überleben können. Sean Andrews, Astronom am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und einer der Leiter* der ALMA-Beobachtungskampagne, erklärte die Bedeutung dieser Ergebnisse in einer NRAO Pressemitteilung :

„Das Ziel dieser monatelangen Beobachtungskampagne war die Suche nach strukturellen Gemeinsamkeiten und Unterschieden in protoplanetaren Scheiben. Die bemerkenswert scharfe Sicht von ALMA hat bisher unbekannte Strukturen und unerwartet komplexe Muster offenbart. Wir sehen deutliche Details rund um eine große Auswahl junger Sterne unterschiedlicher Masse. Die überzeugendste Interpretation dieser sehr unterschiedlichen, kleinräumigen Merkmale ist, dass unsichtbare Planeten mit dem Scheibenmaterial interagieren.“

Beschriftete Version von vier der zwanzig Scheiben, die ALMAs höchstauflösende Vermessung nahegelegener protoplanetarer Scheiben umfassen. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Nach den führenden Modellen der Planetenentstehung werden Planeten durch die allmähliche Ansammlung von Staub und Gas in einer protoplanetaren Scheibe geboren. Dies beginnt damit, dass Staubkörner zu immer größeren Gesteinen zusammenwachsen, bis Asteroiden, Planetesimale und Planeten auftauchen. Es wird angenommen, dass dieser Prozess Millionen von Jahren dauert, was bedeutet, dass protoplanetare Scheiben in älteren Systemen dadurch stärker sichtbar wären.

Frühe Beobachtungen von ALMA zeigten jedoch, dass viele junge protoplanetare Scheiben gut definierte Strukturen wie Ringe und Lücken aufwiesen. Diese Merkmale werden typischerweise mit dem Vorhandensein von Planeten in Verbindung gebracht und wurden sogar in einigen wenigen Systemen gefunden, die nur eine Million Jahre alt waren. Als Jane Huang, Doktorandin am CfA und Mitglied des Forschungsteams, erklärt :

„Es war überraschend, in den allerersten hochauflösenden Bildern junger Scheiben mögliche Signaturen der Planetenentstehung zu sehen. Es war wichtig herauszufinden, ob es sich um Anomalien handelte oder ob diese Signaturen auf Datenträgern üblich waren.“

Da der frühe Probensatz so klein war, wurde die DSHARP-Kampagne gestartet, um andere protoplanetare Scheiben zum Vergleich zu beobachten. Da Staubpartikel bekanntermaßen im Millimeterwellenbereich leuchten, konnte das Kampagnenteam mit dem ALMA-Array die Dichteverteilung von Staubgürteln um junge Sternsysteme genau kartieren und (je nach Entfernung des Sterns) Merkmale wie klein wie ein paar astronomische Einheiten.

Bild der planetenbildenden Scheibe HL Tau, aufgenommen mit dem Atacama Large Millimeter Array. Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Am Ende stellte das Forschungsteam fest, dass viele der Unterstrukturen (d. h. konzentrische Lücken und schmale Ringe) fast allen Scheiben gemeinsam waren, während großflächige spiralförmige Muster und bogenförmige Merkmale seltener waren. Sie fanden auch heraus, dass die Scheiben und Lücken in einer Vielzahl von Entfernungen von ihren Wirtssternen vorhanden waren – von einigen wenigen AE bis zu mehr als einhundert.

Wie bereits erwähnt, könnten diese Beobachtungen dazu beitragen, ein anhaltendes Rätsel zu lösen, wenn es um Theorien zur Planetenentstehung geht. Insbesondere haben sich Astronomen gefragt, wie sich Planeten bilden könnten, wenn die Dynamik einer glatten protoplanetaren Scheibe jeden Körper mit einem Durchmesser von mehr als einem Zentimeter in seinen Wirtsstern fallen lassen würde. Unter diesen Umständen sollten felsige Objekte, die größer als ein Asteroid sind, nicht existieren.

Im Wesentlichen würden die dichten Staubringe, die das Team beobachtete, Störungen in der Scheibe erzeugen, die Zonen schaffen könnten, in denen Planetesimale sicher sind und die Zeit haben, die sie brauchen, um zu Planeten zu wachsen. Wie Laura Perez, Forscherin an der Universität von Chile und Mitglied des Forschungsteams, angab:

„Als ALMA mit seinem ikonischen Bild von HL Tau seine Fähigkeiten wirklich enthüllte, mussten wir uns fragen, ob dies ein Ausreißer war, da die Scheibe vergleichsweise massiv und jung war. Diese neuesten Beobachtungen zeigen, dass HL Tau zwar auffällig ist, aber alles andere als ungewöhnlich ist und tatsächlich die normale Entwicklung von Planeten um junge Sterne repräsentieren könnte.“

Diese Forschung zeigt die Macht, die modernste Instrumente und wissenschaftliche Kooperationen heute haben. Dank der Fähigkeit, mehr zu sehen und weiter zu sehen, können Wissenschaftler astronomische Theorien wie nie zuvor testen. Und dabei werden unsere grundlegendsten Vorstellungen über die Entstehung des Universums bestätigt und in Frage gestellt.

Genießen Sie diese Animation, die zeigt, wie eine protoplanetare Scheibe aussieht, mit freundlicher Genehmigung des NRAO Outreach-Programms:

*Die anderen Leiter der ALMA-Beobachtungskampagne sind Andrea Isella von der Rice University, Laura Pérez von der University of Chile und Cornelis Dullemond von der Universität Heidelberg.

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