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Astronomie - Erste Radiobeobachtungen einer Planeten-Scheibe: Planetenartiges Objekt entstand offenbar ähnlich wie ein Stern

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Erste Radiobeobachtungen des einsamen planetenartigen Objekts OTS44 zeigen eine staubige protoplanetare Scheibe ähnlich der eines jungen Sterns. Das ist unerwartet: Laut den herkömmlichen Modellen sollte ein so massearmes Objekt nicht so entstehen können wie ein Stern, also beim Kollaps einer Gaswolke. Offenbar sind sich Sterne und planetenartige Objekte ähnlicher als bisher angenommen. Das neue Ergebnis einer Gruppe um Amelia Bayo, zu der auch mehrere Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie gehören, ist am 18. Mai 2017 in den Astrophysical Journal Letters erschienen.
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Neue Beobachtungen des einsamen planetenartigen Objekts OTS44 haben starke Hinweise darauf ergeben, dass dieses Objekt ähnlich entstanden ist wie herkömmliche Sterne oder Braune Zwerge – ein überraschender Umstand, der herkömmliche Modelle der Stern- und Planetenentstehung vor eine Herausforderung stellt. Für diese Beobachtungen hatte die Astronomengruppe unter der Leitung von Amelia Bayo, zu der auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie gehören, das ALMA-Observatorium in Chile genutzt.

Die Beobachtungen erlauben die Abschätzung der Masse des Staubanteils in der Scheibe rund um OTS44. Mit dem Ergebnis reiht sich OTS44 ein bei Objekten wie Sternen und Braunen Zwergen (letztere sind "verhinderte Sterne", mit zu wenig Masse für langanhaltende Kernfusionsreaktionen ): Alle diese Objekte haben offenbar bestimmte ähnliche Eigenschaften, darunter einen ähnlichen Zusammenhang zwischen der Masse des Staubs in der Scheibe und der Masse des Zentralobjekts. Das neue Ergebnis ergänzt bereits länger bekannte Ähnlichkeiten, insbesondere den Umstand, dass OTS44 nach wie vor wächst, indem es Materie von seiner Scheibe auf sich zieht – auch das eigentlich charakteristisch für junge Sterne.

Ähnlichkeiten mit Sternen und Braunen Zwergen

Insgesamt sprechen diese Befunde stark dafür, dass OTS44 in der gleichen Weise entstanden ist wie Sterne und Braune Zwerge, nämlich durch den Kollaps einer Gas- und Staubwolke. Den herkömmlichen Modellen nach sollten sich Objekte mit so geringer Masse wie OTS44 aber gar nicht auf diese Weise bilden können. Eine mögliche Alternative, nämlich die gleichzeitige Bildung mehrerer Objekte, von denen OTS44 nur eines ist, widerspricht den Beobachtungen, die keine solchen Begleiterobjekte in der Nähe von OTS44 zeigen.

Die Stärke der bei Millimeter-Wellenlängen empfangenen Strahlung weist auf die Anwesenheit von ungefähr millimetergroßen Staubkörnern hin. Auch das ist unerwartet. Unter den Bedingungen, wie sie in der Scheibe rund um ein astronomisches Objekt geringer Masse herrschen, sollte Staub sich eigentlich gar nicht zu solcher Größe (oder darüber hinaus) zusammenballen können. Die Staubteilchen rund um OTS44 sind allerdings trotzdem am wachsen – und könnten sogar auf dem Wege sein, später einmal eine Art Mini-Mond des Objekts zu bilden; eine weitere Ähnlichkeit mit Sternen und ihren Planetensystemen.

Amelia Bayo (Universität Valparaiso), die Leiterin des Forschungsprojekts, sagt: "Je mehr wir über OTS44 wissen, umso größer wird seine Ähnlichkeit mit einem jungen Stern. Aber die Masse des Objekts ist so gering, dass sich OTS44 den gängigen Theorien zufolge gar nicht wie ein Stern hätte bilden dürfen!"

Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie ergänzt: "Es ist schon beeindruckend, dass wir mithilfe eines Observatoriums wie ALMA rund eine halbe Erdmasse an Staub rund um ein Objekt mit zehn Jupitermassen auf eine Entfernung von 500 Lichtjahren sehen können. Aber die neuen Daten zeigen uns auch die Grenzen unseres Wissens. Offenbar müssen wir über die Entstehung von astronomischen Objekten mit niedriger Masse noch viel lernen!"

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Ausführliche Beschreibung: Erste Radiobeobachtungen einer Planeten-Scheibe: Objekt entstand offenbar ähnlich wie ein Stern

Eine neue Untersuchung des einsamen planetenähnlichen Objekts OTS44 gibt Hinweise darauf, dass dieses Objekt in ähnlicher Weise entstanden ist wie Sterne und Braune Zwerge – ein überraschendes Ergebnis, das herkömmliche Modelle zur Stern- und Planetenentstehung vor eine Herausforderung stellt. Die Untersuchung, durchgeführt von einer Astronomengruppe unter der Leitung von Amelia Bayo vom Max-Planck-Institut für Astronomie, nutzte das ALMA-Observatorium, um den Staub der Scheibe um OTS44 zu beobachten.

Von kollabierenden Wolken zu Sternen

Sterne entstehen, wenn Teile einer gigantischen Gaswolke unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenstürzen. Aber nicht bei jedem solchen Kollaps entsteht ein Stern. Die entscheidende Größe ist die Masse: Besitzt das resultierende Objekt eine hinreichend große Masse, dann ist die Gravitation stark genug um die innersten Regionen zu so hohen Dichten zusammen zu pressen, und auf so große Temperaturen zu erhitzen, dass Kernfusionsreaktionen einsetzen, bei denen Wasserstoffkerne (Protonen) zu Helium verschmelzen. Dann ist per Definition ein Stern entstanden: ein durch die eigene Schwerkraft zusammengehaltener Plasmaball, in dessen Zentrum Kernfusion stattfindet. Die dabei laufend freigesetzte Energie wird nach außen transportiert und lässt den Stern hell leuchten.

Anfangs ist der neugeborene Stern noch von den Überresten der Gaswolke umgeben. Im Laufe des Kollapses haben Wolke und Stern dabei begonnen, merklich zu rotieren – analog dazu, wie ein Eiskunstläufer seine Drehgeschwindigkeit erhöht, indem er seine Arme an den Körper zieht. Durch die Rotation wird das verbleibende Material zu einer Scheibe aus Gas und Staub auseinandergezogen, die den jungen Stern umgibt und protoplanetare Scheibe genannt wird. Ihrem Namen entsprechend bilden sich in dieser Scheibe die Planeten: Die Staubteilchen klumpen zu immer größeren und größeren Teilchen zusammen bis die resultierenden Objekte dann sogar so groß sind, dass sie sich unter dem Einfluss ihrer gegenseitigen Schwerkraft zu Planeten zusammenziehen können. Dabei können zum einen dichte Gesteinsplaneten wie unserer Erde entstehen, mit Durchmessern zwischen tausenden und zehntausenden von Kilometern. Zieht ein solches Objekt Reste des Scheibengases auf sich entstehen Gasriesen, in unserem Sonnensystem beispielsweise der Jupiter.

Hat das beim Wolkenkollaps entstehende Objekt dagegen eine Masse zwischen rund 7 Prozent und rund einem Prozent der Sonnenmasse – genauer: zwischen 75 und 13 Jupitermassen – dann entsteht kein Stern, sondern ein Brauner Zwerg: eine Art verhinderter Stern, in dessen Kernregionen zwar zwischenzeitlich in beträchtlichem Umfang Fusionsreaktionen mit Deuteriumkernen (schweres Wasser, ein Proton plus ein Neutron) stattfinden, der allerdings nicht genug Masse besitzt, als dass dort die für Sterne typische langfristige Phase der Wasserstoff-Fusionsreaktionen einsetzen könnte.

Der seltsame Fall von OTS44

Können beim Kollaps Objekte mit noch geringerer Masse entstehen – etwa mit den typischen Massen von Planeten? Eine detaillierte Analyse des Objekts OTS44, veröffentlicht 2013 von einer Gruppe unter der Leitung von Viki Joergens vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) spricht deutlich für diese Möglichkeit. OTS44 ist nur rund zwei Millionen Jahre alt – auf den Zeitskalen von Sternen oder Planeten ein neugeborenes Baby. Das Objekt hat geschätzt eine Masse von 12 Jupitermassen und fliegt ohne irgendeinen nahen Begleiter alleine durch den Weltraum. Es ist dabei Teil der Chamäleon-Sternentstehungsregion im südlichen Sternbild Chamäleon, etwas mehr als 500 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dort werden nach wie vor zahlreiche neue Sterne aus kollabierenden Gas- und Staubwolken geboren.

Genau wie ein junger Stern ist OTS44 von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben – eines von nur vier Objekten mit derart niedriger Masse (rund einem Dutzend Jupitermassen oder weniger), von denen bekannt ist, dass sie eine solche Scheibe besitzen. Hinzu kommt dass OTS44 nach wie vor wächst, indem es Material aus seiner Scheibe auf sich zieht. Die Scheibe besitzt eine gehörige Masse; sowohl sie als auch das nach wie vor auf OTS44 fallende Material (Akkretion) sind deutliche Hinweise darauf, dass es keinen grundlegenden Unterschied zwischen der Entstehung von Objekten mit niedriger Masse und Sternen gibt. OTS44 dürfte dabei die niedrigste Masse von allen Objekten haben, bei denen man sowohl eine Scheibe als auch einfallendes Material nachgewiesen hat.

Brauner Zwerg versus planetenähnliches Objekt

Wir haben es bislang vermieden, OTS44 entweder als Braunen Zwerg oder als etwas anderes zu bezeichnen. Die Nomenklatur ist an dieser Stelle auch nicht eindeutig. Einige Astronomen nennen jedes Objekt, das sich durch direkten Kollaps einer Gaswolke gebildet hat, aber selbst kein Stern ist, einen Braunen Zwerg. Nach dieser Definition können nur Objekte, die sich in einer Scheibe rund um ein Zentralobjekt gebildet haben, Planeten sein. Eine alternative Definition bezieht sich darauf, dass ein Objekt wie OTS44 nicht genug Masse für die für Braune Zwerge typische Episode enthält, in der ein beträchtlicher Teil des Deuteriums fusioniert; damit ist OTS44 dieser Definition gemäß kein Brauner Zwerg. Als Kompromiss bezeichnen wir OTS44 im folgenden als „planetenähnliches Objekt“.

Während der Fall von OTS44 zeigt, dass auch planetenähnliche Objekte durch Kollaps entstehen können, ist der genaue Ablauf alles andere als klar. Für die Entstehung von Objekten mit wenig Masse, seien es sehr leichte Sterne, Braune Zwerge oder Einzel-Planeten, gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten – die im Falle von OTS44 aber beide problematisch sind. Das erste wäre ein direkter Kollaps einer kleineren, isolierten Wolke. Aber den derzeitigen Modellrechnungen nach ist es unwahrscheinlich, dass ein so massearmes Objekt wie OTS44 auf diese Weise entsteht.

Deutlich wahrscheinlicher ist die Alternative, dass sich OTS44 nämlich aus einer größeren kollabierenden Wolke gebildet hat, die fragmentiert ist und anstatt eines einzigen größeren Himmelskörpers mehrere Objekte gebildet hat, darunter OTS44. Das passt allerdings nicht zu den Beobachtungen. OTS44 hat keine Begleiter. Und die Annahme, dass OTS44 zwar ursprünglich Teil eines Mehrfachsystems war aber dann hinausgeschleudert wurde, ist ähnlich problematisch. OTS44 ist schließlich noch sehr jung – das Geburts-System hatte nicht genügend Zeit, sich in Einzelsterne und/oder einzelne Braune Zwerge aufzulösen. Man sollte es demnach in der Nähe von OTS44 nachweisen können. Doch innerhalb von 10.000 astronomischen Einheiten (10.000 Mal dem mittleren Abstand Erde-Sonne), wo man die Geschwister von OTS44 finden müsste, gibt es nur ein einziges weiteres Objekt, und das sieht nicht so aus, als sei es in einem Mehrfach-Kollaps entstanden.

Mit ALMA auf Staubsuche

Offenbar besteht Klärungsbedarf. Das motivierte eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Amelia Bayo (Universität Valparaiso, Chile), mehr über OTS44 herauszufinden. Zu der Gruppe gehören eine Reihe von aktuellen und ehemaligen Mitarbeitern des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA), und auch Bayo war ihrerseits Postdoktorandin am MPIA, bevor sie an die Universität Valparaiso wechselte. Über die verschiedenen Stationen einer Wissenschaftlerkarriere entstehen nicht selten internationale Kooperations-Netzwerke – in diesem Falle eine strategische Kooperation zwischen Astronomen an der Universidad de Valparaiso und der von Thomas Henning geleiteten MPIA-Abteilung Planeten- und Sternentstehung. Die zwei Institutionen sind noch auf weitere Weise verbunden: Anfang 2017 hat an der Universität Valparaiso eine astronomische Max-Planck-Tandem-Gruppe die Arbeit aufgenommen. Mit solchen Tandem-Gruppen fördert die Max-Planck-Gesellschaft die internationale Zusammenarbeit mit bestimmten exzellenten Forschungsinstitutionen.

In diesem speziellen Fall gehörten zu der Gruppe, die Bayo für Beobachtungen von OTS44 zusammengerufen hatte, auch mehrere Mitglieder mit den richtigen Qualifikationen und mit Erfahrung für Beobachtungen mit dem ALMA-Observatorium: Einer Konstellation von 50 Radioantennen für den Nachweis von Millimeter- und Submillimeter-Strahlung, die von einem internationalen Konsortium in der Atacama-Wüste in Chile betrieben wird.

Die Astronomen beantragten ALMA-Beobachtungszeit, um die Scheibe von OTS44 bei Millimeter-Wellenlängen beobachten zu können. Licht dieser Wellenlänge ist besonders geeignet, um Staubkörner in protoplanetaren Scheiben nachzuweisen. Der Staub macht dabei ein Prozent oder mehr der Scheibenmasse aus; die genaue Abschätzung des Massenverhältnisses ist Gegenstand aktueller Forschung. Zumindest in den Scheiben um massereichere Objekte sind die Staubkörner der Schlüssel zur Planetenentstehung.

Staubmassen und ein überraschend allgemeiner Zusammenhang

Für Millimeterwellen ist die Scheibe optisch dünn, mit anderen Worten: Beobachtungen zeigen die Millimeterwellen-Strahlen des gesamten Staubs in der Scheibe. (In einer optisch dicken Scheibe würden wir nur Strahlung von den oberen Schichten empfangen; die tieferen Schichten würden von den oberen Schichten abgeschattet.) Damit lässt sich aus der empfangenen Strahlung die Gesamtmenge an Staub in der Scheibe abschätzen – wobei das Ergebnis allerdings auch noch von der Scheibentemperatur abhängt. Temperaturabschätzungen für solche Scheiben in Abhängigkeit von der gemessenen Gesamtstrahlung ergeben für die OTS44-Scheibe Werte zwischen 5.5 und 20 Kelvin. Das ergibt eine Staubmasse zwischen 7 Prozent der Erdmasse (für den niedrigsten Temperaturwert) und 64 Prozent (für den höchsten).

Diese Massenabschätzungen sind ein weiterer Hinweis auf die Ähnlichkeiten zwischen Sternen und Objekten mit niedrigerer Masse. Systematische Untersuchungen hatten bereits früher gezeigt, dass die Masse des Zentralobjekts und die Masse des Staubs in der umgebenden Scheibe für junge Sterne und Braune Zwerge systematisch zusammenhängen. Die Datenpunkte für OTS44 passen genau in dieses Bild und scheinen Ausdruck desselben Zusammenhangs zu sein – ein Anzeichen dafür, dass in all diesen Fällen derselbe Mechanismus am Werke ist, für Zentralobjekte mit rund einer Hundertstel Sonnenmasse ebenso wie für solche mit mehreren Sonnenmassen.

Staubkörner ungewöhnlicher Größe

Eine weitere interessante Konsequenz ergibt sich direkt aus dem Umstand, dass die Scheibe überhaupt beträchtliche Mengen an Millimeterstrahlung aussendet. Den aktuellen Modellen zur Planetenentstehung zufolge ist das überraschend: Solche größeren Staubkörner sollten sich in einer Scheibe um ein Objekt mit so geringer Masse gar nicht erst gebildet haben können. In solch einer Scheibe umkreisen die Staubkörner das Zentralobjekt wie Mini-Planeten und folgen dabei den Gesetzen, die Johannes Kepler für die Planetenbewegung bereits im frühen 17. Jahrhundert fand.

Das Gas dagegen besitzt einen inneren Druck und bewegt sich daher etwas anders. Insbesondere rotiert es langsamer um das Zentralobjekt. Die Staubkörner werden durch das langsamere sie umgebende Gas abgebremst und driften nach innen, wo sie schließlich auf den Zentralkörper fallen. Es gibt Argumente dafür, dass diese für die Staubkörner fatalen Mechanismen bei Zentralobjekten niedriger Masse besonders ausgeprägt sind. Aus den entsprechenden Rechnungen folgt, dass die Staubkörner eigentlich weitgehend hätten verschwinden müssen – und das bevor sie die Gelegenheit hatten, zu den beobachteten millimetergroßen Teilchen zusammenzuklumpen.

Sind die millimetergroßen Teilchen einmal da ist die Situation weniger problematisch – mit ihrer größeren Größe und Masse beeinflusst das Gas diese Teilchen weit weniger stark als ihre kleineren Verwandten. Warum diese größeren Teilchen überhaupt in der Scheibe entstehen konnten, ist derzeit noch nicht verstanden. Aber es eröffnet die Möglichkeit, dass in den Scheiben um solch ein einsames planetenähnliches Projekt sogar noch größere Staubteilchen wachsen können – und die Entwicklung vielleicht sogar bis zu regelrechten Mini-Monden weitergeht.

Ähnlichkeiten mit jungen Sternen

Insgesamt zeigen die neuen Ergebnisse, dass OTS44 einem jungen Stern in bestimmter Weise noch ähnlicher ist als gedacht. Nicht nur, dass er von einer Scheibe umgeben ist, nicht nur, dass er nach wie vor wächst indem er sich Scheibenmaterial einverleibt: auch das Verhältnis der Masse des Staubes in seiner Scheibe zur Masse von OTS44 fügt sich in den für Sterne und Braune Zwerge gültigen Zusammenhang ein.

Offenbar bedürfen die heutigen Modelle, die für Objekte niedriger Masse keine Entstehungsmöglichkeit aus dem direkten Kollaps einer Gaswolke vorsehen, der Überarbeitung. Beobachtungen wie diese hier an OTS44 weisen uns dann hoffentlich die richtige Richtung zur Entwicklung besserer Modelle, und damit eines tieferen Verständnis der Entstehung von Objekten mit niedriger Masse im Universum.

Quelle:MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT, MÜNCHEN

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