Einzigartige Einblicke in die Geburtsstätten von Planeten

Quelle: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al.; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Zusammenstellung aller 20 protoplanetaren Scheiben, die mit ALMA in der DSHARP-Kampagne beobachtet wurden. Die Farben sind nicht echt und wurden ausgewählt, um die Details klarer darzustellen. Sie zeigen eine Vielzahl von Strukturen inklusive Ringen, Lücken und spiralförmigen Mustern in einer großen Anzahl von Entfernungen von ihren Heimatsternen, von wenigen Astronomischen Einheiten (AE) bis zu rund 100 AE, was mehr als das Dreifache der Entfernung des Neptun von unserer Sonne ist. Diese Strukturen bestehen aus Staubpartikeln, die in Millimeterwellenlängen leuchten. Es wird angenommen, dass sie die Merkmale von Planeten in der Phase ihrer Entstehung sind.

Bislang unbekannte, für die Forschung spektakuläre Strukturen in Staub- und Gasgürteln junger Sterne geben vollkommen neue Einblicke in die Geburtsstätten von Planeten: Entdeckt wurden sie von einem internationalen Astronomenteam unter maßgeblicher Mitwirkung von Heidelberger Wissenschaftlern, das 20 dieser sogenannten protoplanetaren Scheiben im Zuge einer mehrmonatigen Beobachtungskampagne untersucht hat. Zum Einsatz kam dabei ein Teleskopverbund, das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA). „Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass Planeten viel schneller entstehen können als bislang angenommen“, betont Prof. Dr. Cornelis Dullemond vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH), der einer der Leiter der Kampagne ist.

Über die Entstehung von Planeten und die damit verbundenen physikalischen Mechanismen ist bislang wenig bekannt. Bisherige Modelle besagen, dass Planeten über Millionen von Jahren durch die allmähliche Verdichtung von Staub und Gas in einer protoplanetaren Scheibe geboren werden – beginnend mit Staubkörnern, die sich zu immer größeren Gesteinsbrocken zusammenfügen. Im Rahmen der aktuellen Beobachtungskampagne des „Disk Substructures at High Angular Resolution Project“ (DSHARP) haben die Astronomen Staubpartikel untersucht, die auf natürliche Weise im Millimeterwellenlicht leuchten. Auf diese Weise konnte mithilfe von ALMA und seiner extrem scharfen Bilder die Dichteverteilung der kleinen, festen Partikel um junge Sterne präzise abgebildet werden.

Die überzeugendste Interpretation dieser Beobachtungen ist nach Angaben der beteiligten Forscher, dass sich große Planeten wie zum Beispiel Neptun oder Saturn viel schneller gebildet haben, als es die gegenwärtige Theorie voraussagt. Solche Planeten neigen offensichtlich auch dazu, sich in enormen Entfernungen von ihren Muttersternen zu entwickeln. „Wir sehen klar definierte Details bei jungen Sternen unterschiedlicher Massen, einschließlich markanter Ringe und Lücken, die in ganz verschiedenen Abständen von ihren Wirtssternen vorkommen. Sie sind offenbar ein Hinweis auf die Anwesenheit von Planeten“, erläutert Prof. Dullemond.

Mithilfe der jüngsten Beobachtungen kann möglicherweise auch erklärt werden, wie sich erdähnliche Planeten bilden und wachsen können. So rätseln Astronomen seit Jahrzehnten über eine Unstimmigkeit in der Theorie der Planetenentstehung. „Wenn staubige Körper etwa die Größe von Murmeln erreichen, würde die Dynamik einer strukturlosen glatten protoplanetaren Scheibe dazu führen, dass diese irgendwann auf ihren Mutterstern fallen und niemals die für Planeten erforderlichen Masse erreichen können“, betont Cornelis Dullemond. Die ALMA-Bilder deuten jedoch darauf hin, dass diese „Murmeln“ in Ringen eingeschlossen sind. „Jeder dieser Ringe enthält viele Dutzend Erdmassen in Form dieses staubigen Materials. Sie sind die idealen Orte, an denen sich neue Planeten bilden können“, so der Heidelberger Astronom. „Die dichten Staubringe schaffen somit einen sicheren Hafen, in dem felsige Welten vollständig reifen können“.

Federführend beteiligt an der DSHARP-Kampagne waren neben Prof. Dullemond auch Dr. Sean Andrews, Astronom am Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik (USA), Prof. Dr. Andrea Isella von der Rice University (USA) sowie Prof. Dr. Laura Pérez von der Universidad de Chile. Die Forschungsergebnisse wurden in einer Reihe von Veröffentlichungen publiziert und zu einer Sonderausgabe der „Astrophysical Journal Letters“ zusammengefasst.