Die Astronomie schreitet so weit voran, dass wir sehen können, wie sich Planeten um junge Sterne bilden. Das war noch vor wenigen Jahren eine undenkbare Entwicklung. Tatsächlich war es nur vor zwei Jahren dass Astronomen das erste Bild eines neu entstehenden Planeten aufgenommen haben.
Jetzt gibt es immer mehr Studien zur Entstehung von Planeten, darunter eine neue mit fünfzehn Bildern planetenbildender Scheiben um junge Sterne.
Diese neue Studie trägt den Titel „ Ein Familienporträt von Scheibeninnenrändern um Herbig Ae/Be-Sterne. ” Der Hauptautor ist Jacques Kluska von der KU Leuven in Belgien. Die neue Studie ist in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics erschienen. Herbig Ae/Be-Stars sind jung, Hauptreihensterne .
Unsere ' Nebelhypothese “ erklärt, wie Sterne und Planeten entstehen. Kurz gesagt, es beginnt mit einer Molekülwolke, einer Ansammlung von hauptsächlich Wasserstoff. Schließlich beginnt ein Teil des Materials in der Wolke zu verklumpen. Wie ein Schneeball wächst der Klumpen mit der Zeit und dreht sich. Wenn es massiver wird, zieht seine Schwerkraft mehr Material an.
Dieses Bild stammt aus dem Jahr 2018. Es stammt vom SPHERE-Instrument des Very Large Telescope der ESO und ist das erste klare Bild eines Planeten, der gerade dabei ist, sich um den Zwergstern PDS 70 zu bilden. Bildnachweis: ESO/A. Mülleret al.
Irgendwann ist so viel Material verklumpt, dass sich ein Stern bildet und sich verschmelzen lässt. (Es gibt viel mehr Details als diese kurze Erklärung enthält, aber es wird das Wesentliche vermittelt.)
Aber der Stern nutzt nicht das gesamte Material der ursprünglichen Molekülwolke. Das verbleibende Material bildet eine Scheibe um den jetzt rotierenden Stern, die als protoplanetare Scheibe bezeichnet wird. Auch die Scheibe dreht sich, und Material in der Scheibe beginnt sich zu verklumpen, um junge Planeten zu bilden.
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)
Das ist eine kurze Arbeitsbeschreibung, wie sich Planeten um Sterne herum bilden.
Das Problem für die Astronomie besteht darin, in diese staubigen Scheiben zu sehen, um die jungen Planeten zu sehen. Zuerst begnügten sich Astronomen damit, wachsende Lücken in den Scheiben zu beobachten, die darauf hindeuteten, dass sich ein Planet bildete und all das Gas und den Staub auf seiner Bahn aufwirbelte. Und selbst das war schwierig.
Aber Studien wie diese neue geben Astronomen – und dem Rest von uns – einen Einblick in die Planetenentstehung, die in die Hülle aus Gas und Staub eindringt.
„Diese inneren Regionen sind … von grundlegender Bedeutung, weil sie der Ort sind, an dem sich die meisten Planeten bilden oder dorthin wandern.“
Aus dem Paper „A family portrait of disc inner rims around Herbig Ae/Be stars“ von Kluska et al. 2020.
Zu verstehen, was im Inneren der Scheibe vorgeht, wenn sich Planeten bilden, ist für unser Gesamtverständnis von Planeten und Exoplaneten entscheidend. Die Autoren schreiben, dass „…die Anfangsbedingungen für die Planetenentstehung tatsächlich durch die Scheibeneigenschaften, ihre Staub- und Gasdichten, ihre Zusammensetzung, Struktur und Dynamik bestimmt werden.“
Und sobald sich ein Planet bildet, kann er beeinflussen, wie sich andere Planeten bilden könnten. „Einmal gebildet, beeinflussen die Planeten wiederum die Scheibenstruktur und verursachen möglicherweise Lücken, Verwerfungen und eine Vielzahl von Merkmalen, die durch Millimeterinterferometrie und Streulichtbildgebung aufgedeckt wurden.“
Das Problem bei früheren Studien dieser inneren Regionen besteht darin, dass „… Beobachtungstechniken nicht auf die Morphologien der inneren Scheibenregionen (die sich innerhalb von 5 au um den Zentralstern befinden) zugreifen können, da sie kein ausreichend hohes Winkelauflösungsvermögen erreichen“, schreiben sie.
Dies ist ein Bild mit sichtbarem Licht von HD100546, einem der Stars der neuen Studie. Es veranschaulicht, wie schwierig es ist, das Innere von Scheiben um junge Sterne zu sehen. Es ist ein Blick auf den äußeren Staub um den jungen Stern HD100546. Der orangefarbene Fleck ist ein Protoplanet etwa 47 AE vom Stern entfernt. Der innere Teil dieses Bildes wird von Artefakten des brillanten Zentralsterns dominiert, der digital subtrahiert wurde, und die schwarzen Kleckse sind nicht real. Bildquelle: Von ESO/NASA/ESA/Ardila et al. – http://www.eso.org/public/images/eso1310d/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24913185
Sie untermauern auch das Studium dieser inneren Scheibenregionen und schreiben: „Diese inneren Regionen sind dennoch von grundlegender Bedeutung, weil sie der Ort sind, an dem sich die meisten Planeten bilden oder dorthin wandern.“
Die Studie präsentiert 15 Bilder von planetenbildenden Scheiben in Hunderten von Lichtjahren Entfernung. Die Autoren der Studie konzentrierten sich auf die inneren Ränder dieser Scheiben, denn dort bilden sich am ehesten Gesteinsplaneten wie die Erde. Untersuchungen von Exoplaneten zeigen auch eine große Anzahl von Planeten, die diese Region um ihre Wirtssterne herum bewohnen.
Künstlerische Darstellung einer zirkumstellaren Trümmerscheibe um einen fernen Stern. Bildnachweis: NASA/JPL
Vor dieser Studie hatten Astronomen Bilder von protoplanetaren Scheiben aufgenommen, aber diese Bilder konnten nicht viele Details enthüllen. „Auf diesen Bildern sind die sternnahen Regionen, in denen sich Gesteinsplaneten bilden, nur von wenigen Pixeln bedeckt“, sagt Erstautor Jacques Kluska in a Pressemitteilung .
Das Team hinter dieser Studie entwickelte ein neues Verfahren zur Abbildung der inneren Ränder dieser Scheiben.
„Wir mussten diese Details visualisieren, um Muster erkennen zu können, die die Planetenentstehung verraten könnten, und um die Eigenschaften der Scheiben zu charakterisieren. Ich bin begeistert, dass wir jetzt zum ersten Mal fünfzehn dieser Bilder haben“, so Kluska weiter.
Das Team verließ sich auf die PIONIER Instrument an der Europäischen Südsternwarte in Chile. PIONIER ist Teil der Sehr großes Teleskop-Interferometer (VLTI), die das Licht von vier Teleskopen gleichzeitig kombiniert.
Luftbild der Beobachtungsplattform auf dem Gipfel des Paranal (von Ende 1999), mit den vier Gehäusen für die 8,2-m-Unit-Teleskope (UTs) und verschiedenen Installationen für das VLT-Interferometer (VLTI). Drei 1,8-m-VLTI-Hilfsteleskope (ATs) und Pfade der Lichtstrahlen wurden dem Foto überlagert. Das interferometrische Labor (teilweise unterirdisch) befindet sich im Zentrum der Plattform. Bildquelle: ESO/VLT
Interferometrie ist ein leistungsstarkes Werkzeug, und das VLT ist ein leistungsstarkes Teleskop; eine der weltweit führenden astronomischen Einrichtungen. Aber diese Kombination aus Technik und Technologie lieferte noch keine tatsächlichen Bilder der jungen Planeten. Die Beschaffung der Bilder erforderte mehr Arbeit: eine innovative mathematische Rekonstruktionstechnik.
Es ist ähnlich wie das Event Horizon Telescope zum erstes Bild eines Schwarzen Lochs . „Wir mussten das Licht des Sterns entfernen, da es die Detailgenauigkeit der Scheiben beeinträchtigte“, erklärt Kluska.
„Die Unterscheidung von Details im Maßstab der Bahnen von Gesteinsplaneten wie der Erde oder dem Jupiter (wie Sie auf den Bildern sehen können) – ein Bruchteil der Entfernung Erde-Sonne – entspricht der Fähigkeit, einen Menschen auf dem Mond zu sehen, oder ein Haar in einer Entfernung von 10 km zu unterscheiden“, bemerkt Jean-Philippe Berger von der Université Grenoble-Alpes, der als leitender Forscher die Arbeit mit dem PIONIER-Instrument leitete. „Infrarot-Interferometrie wird routinemäßig verwendet, um die kleinsten Details astronomischer Objekte aufzudecken. Die Kombination dieser Technik mit fortgeschrittener Mathematik ermöglicht es uns endlich, die Ergebnisse dieser Beobachtungen in Bilder zu verwandeln.“
Die protoplanetaren Scheiben um die Sterne R CrA (links) und HD45677 (rechts), aufgenommen mit dem Very Large Telescope Interferometer der ESO. Die Umlaufbahnen sind als Referenz hinzugefügt. Der Stern dient dem gleichen Zweck, da sein Licht herausgefiltert wurde, um ein detaillierteres Bild der Scheibe zu erhalten. Quelle: Jacques Kluska et al.
Wir stehen wirklich erst am Anfang, wenn wir versuchen, Planetenentstehungsprozesse zu verstehen. Es muss eine enorme Menge an granularen Details und Variabilität geben, so dass es schwierig sein könnte, es als einen einzigen Prozess zu bezeichnen. Diese Studie deckte einige dieser Details und Variabilitäten auf.
„Man kann sehen, dass einige Flecken heller oder weniger hell sind, wie in den obigen Bildern: Dies deutet auf Prozesse hin, die zur Planetenentstehung führen können“, sagte Kluska. „Zum Beispiel: Es könnte Instabilitäten in der Scheibe geben, die zu Wirbeln führen können, in denen die Scheibe Weltraumstaubkörner ansammelt, die wachsen und sich zu einem Planeten entwickeln können.“
Das Team hinter dieser Studie will weiterarbeiten. Sie beabsichtigen, die Unregelmäßigkeiten, die sie in diesen Ringen gefunden haben, zu erforschen und noch mehr Details zu untersuchen. Eines der Ziele ist es, die Planetenentstehung in den nächstgelegenen Regionen des Sterns direkt zu beobachten. Sie haben auch damit begonnen, eine Reihe von 11 älteren Sternen und ihre Staub- und Gasscheiben zu untersuchen, da sich dort auch Planeten bilden können.
Mehr:
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