Mit Hilfe des Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) haben Astronomen jetzt die bisher konkretesten Hinweise gefunden, dass sich in den Scheiben aus Gas und Staub um vier junge Sterne erst kürzlich Planeten mit mehreren Jupitermassen gebildet haben. Messungen des die Sterne umgebenden Gases haben außerdem weitere Hinweise zur Beschaffenheit dieser Planeten geliefert.

Planeten findet man fast um jeden Stern, aber die Astronomen verstehen noch nicht vollständig wie – und unter welchen Umständen – sie sich bilden. Um solche Fragen beantworten zu können, untersuchen sie die rotierenden Scheiben aus Gas und Staub, die es um junge Sterne gibt und aus denen Planeten entstehen. Diese Scheiben sind jedoch klein und weit von der Erde entfernt. Man braucht daher die Leistungsfähigkeit von ALMA, um ihren Geheimnissen auf die Spur zu kommen.

Eine bestimmte Art von Scheiben, die man als Übergangsscheiben (engl: transitional discs) bezeichnet, überrascht durch die Abwesenheit von Staub in ihrem Zentrum, also in der Region unmittelbar um den Stern. Es gibt zwei Erklärungsversuche für diese merkwürdigen Lücken: Zum einen könnten starke Sternwinde und intensive Strahlung das umgebende Material weggeblasen oder zerstört haben [1], zum anderen könnten massereiche junge Planeten bei ihrer Entstehung das Material auf ihrer Bahn um den Stern entfernt haben [2].

Die unvergleichliche Empfindlichkeit und Abbildungsschärfe von ALMA haben jetzt dem Team um den Astronomin Nienke van der Marel von der Sterrewacht Leiden in den Niederlanden ermöglicht, die Verteilung von Gas und Staub in vier dieser Übergangsscheiben besser als je zuvor abzubilden [3]. Das wiederum hat ihnen erstmals erlaubt, eine Entscheidung zwischen den beiden Erklärungsversuchen für die Staublücken zu treffen.

Die neuen Bilder zeigen, dass es in den Staublücken eine signifikante Menge an Gas gibt [4]. Aber zur Überraschung des Teams weist das Gas ebenfalls eine Lücke auf, jedoch bis zu dreimal kleiner als die Staublücke.

Das lässt sich nur mit dem Szenario erklären, bei dem frisch entstandene massive Planeten das Gas aus ihrer jeweiligen Umlaufbahn entfernt, jedoch die Staubpartikel weiter außen eingefangen haben [5].

„Schon frühere Beobachtungen haben die Anwesenheit von Gas innerhalb der Staublücken vermuten lassen“, erklärt Nienke van der Marel. „Aber da ALMA die Materie der gesamten Scheibe in viel feinerem Detail zeigen kann als anderen Observatorien, konnten wir das Alternativszenario ausschließen. Die tiefe Lücke weist klar auf die Anwesenheit von Planeten mit mehreren Jupitermassen hin. Sie erzeugen diese Teilungen an den Stellen, wo sie durch die Scheibe pflügen.“

Erstaunlicherweise wurden diese Beobachtungen mit nur einem Zehntel des heutigen Auflösungsvermögens von ALMA gemacht, da sie durchgeführt wurden, als die Hälfte des Arrays auf dem Chajnantorplateau im Norden Chiles noch im Bau war.

Jetzt sind weitere Beobachtungen erforderlich, um zu sehen, ob auch andere Übergangsscheiben auf das Planeten-Aufsammel-Szenario hindeuten. Während dessen haben die ALMA Beobachtungen schon jetzt den Astronomen wertvolle Einsichten in die komplexen Prozesse der Planeten-Entstehung geliefert.

„Alle Übergangsscheiben mit großen Staublücken, die bisher untersucht worden sind, haben auch große Gaslücken. Daher können wir jetzt mit ALMA herausfinden, wo und wann große Gasplaneten in diesen Scheiben geboren werden. Dann können wir diese Ergebnisse mit den Planetenbildungsmodellen vergleichen“, erläutert Ewine von Dishoeck, ebenfalls von der Sterrewacht Leiden und dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching [6]. „Der direkte Nachweis von Planeten ist fast in der Reichweite unserer heutigen Instrumente und die nächste Generation von Teleskopen, wie das European Extremely Large Telescope, werden in der Lage sein, viel weiter zu gehen. ALMA zeigt uns die Stellen, wo wir hinschauen müssen.“

Endnoten

[1] Der Prozess, der den Staub und das Gas von innen her leer fegt, wird als Photoevaporation bezeichnet.

[2] Solche Planeten sind schwierig direkt zu beobachten (eso1310) und frühere Studien im Millimeterwellenbereich (eso1325) haben kein scharfes Bild der inneren, planetenbildenden Bereiche geliefert, wo diese unterschiedlichen Erklärungsversuche auf die Probe gestellt werden könnten. Andere Studien (eso0827) konnten nicht den Hauptanteil des Gases in diesen Scheiben messen.

[3] Die vier Objekte dieser Untersuchungen waren: SR 21, HD 135344B (auch als SAO 206462 bezeichnet), DoAr 44 und Oph IRS 48.

[4] Das Gas von Übergangsscheiben besteht in erster Linie aus Wasserstoff und kann durch die Beobachtung von Kohlenstoffmonoxidmolekülen (CO) nachgewiesen werden.

[5] Der Prozess der Staubfallen wurde bereits in einer früheren Pressemitteilung (eso1325) erläutert.

[6] Andere Beispiele sind die Übergangsscheiben von HD 142527 (eso1301 und hier) und J1604-2130.

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Diese ALMA-Aufnahme kombiniert die Ansicht des Staubs um den jungen Stern HD 135344B (orange) mit einer Abbilung des gashaltigen Materials (blau). Das kleine Loch im inneren Gasbereich ist ein eindeutiges Zeichen für die Anwesenheit eines jungen Planeten, der die Scheibe freiräumt.

Quelle: ESO