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Baby-Sonnensysteme mit Struktur – Zeichen von Planetenentstehung?


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 9/2018 vom 10.08.2018

Die Frühphase unseres Sonnensystems und damit die Zeit, in der die Planeten entstanden sind, können wir nicht direkt untersuchen. Beobachtungen der protoplanetaren Scheiben sonnenähnlicher Sterne helfen, diese Entwicklungsphase von Sternsystemen besser zu verstehen. Das Instrument SPHERE am Very Large Telescope der ESO in Chile hat jetzt acht solche Scheiben in hoher Auflösung abbilden können.


Artikelbild für den Artikel "Baby-Sonnensysteme mit Struktur – Zeichen von Planetenentstehung?" aus der Ausgabe 9/2018 von Sterne und Weltraum. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 9/2018

Im gestreuten Licht von acht T-Tauri-Sternen werden die sie umgebenden protoplanetaren Scheiben sichtbar. Sie sind im gleichen Maßstab dargestellt: Der Längenbalken gilt für alle acht Scheiben und zeigt 100 ...

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... Astronomische Einheiten an. Die Bilder entstanden mit dem Instrument SPHERE am Very Large Telescope. Die Position des jeweils ausgeblendeten Sterns ist mit einem kleinen roten Punkt markiert. Bereiche, in denen keine Daten vorliegen, sind grün. So ähnlich wie diese Gebilde sollte auch unser Sonnensystem während seiner Entstehungsphase vor rund 4,5 Milliarden Jahren ausgesehen haben.


Avenhaus, H. et al.: Disks Around TTauri Stars With Sphere (DARTTS-S) I: SPHERE/IRDIS Polarimetric Imaging of 8 Prominent TTauri Disks. In Astrophysical Journal (eingereicht). arXiv:1803.10882, Fig. 1

Die Frage, ob unsere Sonne der einzige Stern ist, um den Planeten kreisen, ist inzwischen mit der Kepler-Mission eindeutig beantwortet worden: Planeten sind in unserem Milchstraßensystem ein weit verbreitetes Phänomen. Im statistischen Durchschnitt gibt es pro Stern mehr als einen Planeten.

Die Frage, wie sich Planeten bilden, ist dagegen in vielen Details weiterhin ungeklärt, auch wenn die Grundzüge mittlerweile bekannt sind: Planeten entstehen in protoplanetaren Scheiben. Sie bestehen hauptsächlich aus Gas und enthalten nur geringe Teile (etwa ein Prozent) an Staub. Sie umgeben die jungen Sterne während der ersten wenigen Millionen Jahre ihres Lebens. Der feine Staub in diesen Scheiben kollidiert und lagert sich zu immer größeren Teilchen zusammen. Anfangs sind die Kollisionen zufällig, später hilft die gegenseitige Anziehung durch die Gravitation, die einzelnen Objekte zusammenzuführen.

Bei diesem Wachstum müssen viele Größenordnungen überwunden werden: Die Ausgangsteilchen haben Größen von typischerweise einem Mikrometer, 10–6 Meter, während die Erde einen Durchmesser von etwa 10 000 Kilometern, 107 Meter, aufweist – dazwischen liegt ein Faktor 1013. Betrachtet man die Masse, so ist der Faktor auf Grund der drei Raumdimensionen entsprechend höher: rund 1039. So viele derartige Teilchen müssen sich dementsprechend zusammen lagern, um einen Planeten von der Größe der Erde zu bilden.

Wie genau dieser Prozess erfolgt, ist noch nicht vollständig geklärt und es gibt verschiedene Probleme:
■ Staubteilchen fragmentieren bei gewissen Größenverhältnissen und Kollisionsgeschwindigkeiten, statt sich zusammenzulagern.
■ Eine Erosion des größeren der beiden Teilchen ist ebenfalls möglich.
■ Ein weiteres Problem ist das Gas, das in der protoplanetaren Scheibe vorhanden ist: Da es meist langsamer rotiert als die Staubteilchen, können diese davon abge bremst werden und dadurch in den Stern fallen – für die Planetenentstehung stehen sie dann nicht mehr zur Verfügung.

ESOcast – Panoptikum von Scheiben um junge Sterne: www.eso.org/public/ germany/videos/eso 1811a/

Um die Prozesse besser zu verstehen, die bei der Planetenentstehung eine Rolle spielen, ist es von großem Interesse, die protoplanetaren Scheiben direkt zu beobachten. Dabei gibt es zwei wichtige Regime, die es zu unterscheiden gilt. Auf der einen Seite steht die thermische Emission. Da das Gas und der Staub der Scheiben wärmer sind als der umgebende Raum, strahlen sie Licht ab – auf Grund ihrer Temperatur allerdings nicht im sichtbaren Licht, sondern hauptsächlich im fernen Infrarot und im Radiobereich. Auf der anderen Seite streuen die Staubteilchen der Scheibe aber auch das Licht des Zentralsterns – gerade so, wie ein Lampenschirm das Licht seiner Glühbirne streut. Auch dieses reflektierte Licht lässt sich beobachten.


Die Baby-Sonnensysteme zeigen, wie unser eigenes vor rund 4, 5Milliarden Jahren ausgesehen haben mag.


In den letzten Jahren ist dies einfacher geworden: Mit dem Gemini Planet Imager (GPI) am Teleskop Gemini South sowie mit SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research) am Very Large Telescope. Beide Geräte sind in Chile stationiert. Mit ihnen gingen zwei neue optische Instrumente mit Fokus auf die Erforschung von Exoplaneten in Betrieb. Neben ihrer Aufgabe, Planeten direkt abzubilden, sind sie auch in der Lage, das reflektierte Licht der protoplanetaren Scheiben sichtbar zu machen.

Scheiben sind schwer abzubilden

Einfach ist das allerdings nicht: Einerseits sind die zu beobachtenden Scheiben am Himmel sehr klein, denn der Winkeldurchmesser am Himmel liegt weit unter demjenigen des Jupiter und des Saturn. Zwar sind die Scheiben im Prinzip sehr groß – oft weit über 100 Astronomische Einheiten – aber sie sind auch sehr weit weg, schließlich befinden sich die nächsten Sternentstehungsgebiete in einer Entfernung von mehr als 300 Lichtjahren zur Erde.

Das andere Problem ist der Zentralstern. Dieser ist viel heller als das schwache, von der Scheibe gestreute Licht. Ohne Anwendung cleverer technischer Tricks überstrahlt es bei der Aufnahme und der Nachbearbeitung der Daten die Scheiben so stark, dass alle Details verloren gehen.

Astronomen behelfen sich hier mit einem Trick: Während das direkte Licht des Sterns nahezu unpolarisiert ist, wird sein Licht bei der Streuung an Staubteilchen stark polarisiert. Beide genannten Instrumente sind in der Lage, die Polarisation zu messen. Betrachtet man dann nur den polarisierten Teil des Lichts von einem System aus jungem Stern und umgebender protoplanetarer Scheibe, so fällt das Licht des Sterns weg und ein Bild der Scheibe bleibt. Solche Scheiben wurden jetzt mit Hilfe von SPHERE sichtbar gemacht (siehe die Bilder oben).

Auch wenn es sich nicht um die ersten Aufnahmen dieser Art handelt, denn Beobachtungen protoplanetarer Scheiben im gestreuten Licht gibt es bereits seit rund zehn Jahren, sind sie dennoch besonders: Einerseits, weil die Astronomen im Rahmen des DARTTS-Programms (Disks Around TTauri Stars) gleich acht Scheiben mit sehr hoher Auflösung bei geringem Bildrauschen fotografieren, und andererseits, weil der Fokus auf T-Tauri-Sternen liegt. Dieser Sterntyp hat im Gegensatz zu den massereicheren so genannten Herbig-Ae/Be-Sternen etwa die Masse der Sonne und ein Alter von weniger als zehn Millionen Jahren. Es handelt sich also um Aufnahmen von Baby-Sonnensystemen, die zeigen, wie unser eigenes Planetensystem vor rund 4,5 Milliarden Jahren ausgesehen haben mag.

Die Resultate sind beeindruckend: Die Scheiben aller acht jungen Systeme lassen sich klar erkennen (siehe Bilder links). Auf Grund des Gasdrucks sind die Scheiben nicht flach, sondern in vertikaler Richtung ausgedehnt. Der Staub in ihnen ist dabei so dicht, dass sie undurchsichtig sind. Daher ist nur ihre Oberfläche sichtbar – allerdings auf beiden Seiten: In den drei Fällen von IM Lupi, RXJ 1615 und MY Lupi ist deutlich zu sehen, dass es sich um dreidimensionale Strukturen handelt, da die Unterseite der Scheibe ebenfalls nachweisbar ist.

Ringe in den Scheiben

Des Weiteren zeigen sich Substrukturen in den Scheiben: Die meisten weisen mehrere konzentrische Ringe um den Zentralstern auf, die in den Aufnahmen allerdings auf Grund der Neigung der Scheiben als Ellipsen sichtbar werden. Unklar ist, was diese Ringe erzeugt: Sollten sich innerhalb der Scheiben bereits Planeten gebildet haben? In dem Fall ist natürlich vorstellbar, dass diese mittels ihrer Gravitationswirkung Lücken in den Scheiben hervorrufen. Dies ist aber nicht die einzige Erklärung, denn es könnte sich auch um anders erzeugte lokale Dichteminima oder -maxima Handeln. Da hier Streulicht gezeigt ist, könnte es sich auch um Schatten innerhalb der Scheibe handeln.

Für das Verständnis der Scheiben greifen Astronomen daher zusätzlich auf Aufnahmen im Bereich der thermischen Emission im Submillimeterbereich zurück. Bei diesen Wellenlängen sind die Scheiben, im Gegensatz zum sichtbaren Licht und zum nahen Infrarot, transparent, und die Strahlung stammt hauptsächlich aus der Mittelebene der Scheibe. So lässt sich die Scheibe quasi doch durchleuchten und ihr Innenleben studieren. Durchgeführt werden solche Studien beispielsweise mit dem Radioteleskop ALMA der ESO auf dem Chajnantor-Plateau in Chile – ein weiteres Instrument, das erst in den letzten Jahren in Betrieb ging.

Die Kombination der Datensätze von thermischer Emission und gestreutem Licht ermöglicht es, zwischen den verschiedenen Szenarien zu unterscheiden. So lässt sich erkennen, wodurch die Strukturen in den Scheiben erzeugt werden, und die Prozesse, die am Anfang eines Sonnensystems mit mehreren Planeten stehen, besser verstehen.

Bis dahin ist allerdings noch weitere Forschungsarbeit erforderlich, sowohl auf der Seite der Beobachtungen mit optischen und Radioteleskopen, als auch auf der Seite der theoretischen Hintergründe. Die Ergebnisse der neuen Instrumente, nicht nur im Rahmen des DARTTS-Programms, haben aber bereits jetzt deutliche Fortschritte ermöglicht: So waren die Strukturen in protoplanetarischen Scheiben bis vor wenigen Jahren höchstens theoretisch vorausgesagt, aber nicht beobachtet worden. Der Reichtum und die Vielseitigkeit an Substrukturen, den die Natur in diesen Scheiben zeigt, war überraschend.

Und noch etwas Unvorhersehbares hat sich gezeigt: Die beobachteten T-Tauri-Scheiben bergen zwar viele Ringstrukturen, weisen jedoch keine Spiralstrukturen auf, wie sie in den massereicheren Herbig-Ae/Be-Sternen häufig zu sehen sind. Ob dies ein tatsächlicher, statistisch signifikanter Effekt oder nur Zufall ist, und falls ja, wodurch er erzeugt wird, ist Gegenstand aktueller Forschung. Weitere Bilder von Sonnensystemen im Babystadium, und mit ihnen tiefergehende Erkenntnisse, sind zu erwarten.

HENNING AVENHAUS ist promovierter Astrophysiker und arbeitet als Postdoktorand am Max-Planck-Institut in Heidelberg. Seit mehreren Jahren befasst er sich mit der Entstehung von Planeten und der Beobachtung protoplanetarer Scheiben.