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Nicht nur in Galaxien: ALMA zeigt Spiralstruktur in protoplanetarer Scheibe 

29. September 2016

Astronomen haben eine auffällige Spiralarm-Struktur in der Gas- und Staubscheibe des jungen Sterns Elias 2-27 entdeckt. Zum ersten Mal konnte dabei gezeigt werden, dass die Spiralstruktur die Region nahe der Mittelebene der Scheibe einschließt, wo neue Planeten geboren werden. Derartige Strukturen können entweder Folge der Anwesenheit junger Planeten sein oder aber die Bedingungen schaffen, unter denen neue Planeten überhaupt erst entstehen können. Entsprechend stellen die neuen Beobachtungen einen Schritt in Richtung eines besseren Verständnisses der Planetenentstehung dar. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Hintergrundinformationen Bilder und Download-Bereich
Wärmestrahlung des Staubs in der protoplanetaren Scheibe rund um den jungen Stern Elias 2-27. Die Spiralstruktur ist deutlich zu erkennen. Bild vergrößern
Wärmestrahlung des Staubs in der protoplanetaren Scheibe rund um den jungen Stern Elias 2-27. Die Spiralstruktur ist deutlich zu erkennen.

Eine internationale Gruppe von Astronomen hat das erste Bild einer Spiralstruktur in einer protoplanetaren Scheibe aufgenommen, das Wärmestrahlung des in der Scheibe enthaltenen Staubs zeigt. Solche Scheiben sind die Geburtsstätten neuer Planetensysteme, und Strukturen darin dürften eine wichtige Rolle für die Entstehung von Planeten um junge Sterne spielen.  Die Forscher nutzten das internationale Observatorium ALMA um die Scheibe rund um den jungen Stern Elias 2-27 im Sternbild Ophiuchus zu beobachten, rund 450 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Geleitet wird die Gruppe von der Humboldt-Stipendiatin Laura Pérez vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. Beteiligt sind auch Hendrik Linz und Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Scheiben: Geburtsstätten für Planeten

Planeten entstehen im Inneren von Scheiben aus Gas und Staub rund um neugeborene Sterne. Diese Grundidee hat eine lange Geschichte, aber die Astronomen sind erst seit Kurzem in der Lage, derartige Scheiben direkt zu beobachten. Ein frühes Beispiel ist die Entdeckung der Silhouetten solcher Scheiben in den 1990er Jahren mit dem Weltraumteleskop Hubble. Bilder von Unterstrukturen solcher Scheiben sind den Astronomen erst sehr viel später gelungen. Lücken in protoplanetaren Scheiben konnten erst im Jahre 2014 mit ALMA nachgewiesen werden.

Die neuen Beobachtungen sind von besonderem Interesse für alle, die sich mit der Entstehung von Planeten beschäftigen. Ohne Unterstrukturen wie die jetzt beobachteten Spiralarme könnten Planeten möglicherweise gar nicht erst entstehen! Der Grund dafür ist wie folgt: Ist die Materie in einer Scheibe weitgehend gleichmäßig verteilt, können Planeten nur Schritt für Schritt entstehen. Staubteilchen in der Scheibe kollidieren und haften aneinander, und im Laufe der Zeit entstehen so immer größere Objekte.

Problematisch wird es freilich, sobald die Objekte größer als einige Meter werden. Dann erfahren sie auf ihrer Bahn um den Stern soviel Reibung durch das umgebende Gas, dass diese Objekte auf Zeitskalen von tausend Jahren oder weniger nach innen wandern und in den Zentralstern fallen. Das ist viel kürzer als die Zeit, die solche Objekte benötigen würden, um durch aufeinanderfolgende Stöße bis zur Größe von Planeten anzuwachsen (und bei solcher Größe dann gegen die Gasreibung vergleichsweise unempfindlich zu sein).

Keine Struktur, keine Planeten

Wie also können sich überhaupt größere Objekte bilden? Ohne eine gute Antwort auf diese Frage können wir die Entstehung unseres Sonnensystem und anderer Planetensysteme nicht verstehen.  Es gibt verschiedene Lösungsansätze für Mechanismen, die urtümlichen Felsbrocken helfen können, zu wachsen und schließlich die Größe zu erreichen, wo sie sich mithilfe der Schwerkraft zu ausgewachsenen Planeten zusammenfügen.

"Die Spiralstruktur, die wir in Elias 2-27 beobachtet haben, ist der erste direkte Hinweis auf  spiralförmige Dichtewellen in einer protoplanetaren Scheibe" sagt Laura Pérez vom MPIfR, Erstautorin des Fachartikels. "Sie zeigen, dass sich innerhalb der Scheibe Instabilitäten bilden können, die zu Teilgebieten deutlich größerer Dichte führen uhd damit zur Bildung weiterer Planeten." Solche Instabilitäten treten nicht nur auf den Größenskalen der Planetenentstehung auf: Das wohl bekannteste Beispiel sind Dichtewellen in Spiralgalaxien, die für die markanten Spiralarme solcher Galaxien verantwortlich sind.

In Regionen erhöhter Dichte, wie sie entlang der jetzt beobachteten Dichtewellen auftreten, kann die Planetenentstehung ungleich rascher fortschreiten als anderswo, sowohl aufgrund der erhöhten Schwereanziehung in dem betreffenden Gebiet als auch aufgrund der höheren Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen. Das könnte die Antwort auf die Frage sein, wie in einer Scheibe größere als metergroße Objekte entstehen können.

Andererseits können Planeten, die bereits in der Scheibe entstanden sind, ihrerseits spiralförmige Dichtewellen auslösen, während sie um den Zentralstern umlaufen. Diese zwei Rollen auseinanderzuhalten - Spiralarme als Auslöser für die Planetenentstehung oder durch Planeten erzeugt? - verlangt nach einem tieferen Verständnis, zu dem Beobachtungen wie das jetzt veröffentlichte ALMA-Bild beitragen können. 

Die Vielfalt der Planeten verstehen

Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und einer der beteiligten Wissenschaftler, sagt: "Nachdem wir über Jahre nur die integrierte Wärmestrahlung von Scheiben um junge Sterne messen konnten, sehen wir sie nun in ihrer ganzen Schönheit und Vielfalt, jetzt auch mit einer Spiralstruktur. Dies hilft uns, die Entstehung von Planeten besser zu verstehen."

Hendrik Linz (MPIA) ergänzt: "In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen eine beachtliche Vielfalt an Exoplaneten gefunden. Erklären können wir diese Vielfalt nur, wenn wir die frühen Phasen der Planetenentstehung verstehen - und dazu leisten die beeindruckend detaillierten ALMA-Bilder einen wichtigen Beitrag."

Ein konkretes Beispiel: Die zwei weit ausladenden Spiralarme um Elias 2-27 erstecken sich bis in eine Entfernung von mehr als 10 Milliarden Kilometern von dem jungen Stern, weiter in den Weltraum hinaus als der Kuipergürtel unseres eigenen Sonnensystems. "Das Vorhandensein von spiralartigen Dichtewellen bei derart extremen Entfernungen vom Stern könnte die Existenz von Exoplaneten erklären, die ihre Zentralsterne in ähnlich großer Entfernung umkreisen", erklärt Pérez: "In den herkömmlichen Modellen der Planetenentstehung sollten derartige Planeten gar nicht vor Ort entstehen können."

Beobachtungen mit hoher Auflösung

Der junge Stern Elias 2-27, den ALMA für diese Aufnahmen angepeilt hat, ist Teil einer weit größeren Sternentstehungsregion namens rho-Ophiuchi. Elias 2-27 hat sich erst vor rund einer Million Jahren gebildet - ein kurzer Zeitraum im Vergleich mit dem Alter unserer Sonne von rund 4,6 Milliarden Jahren.

Von diesem Stern war bereits bekannt, dass er von einer Scheibe umgeben ist; den bisherigen Beobachtungen nach (mit einem Auflösungsvermögen zwischen 0,6" und 1.1") könnte es sich allerdings ebenso gut um eine strukturlose, zylindersymmetrische Scheibe handeln. Die neuen ALMA-Daten (mit Auflösungsvermögen 0,24") beruhen auf Messungen bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern. In unserem Falle rührt solche Strahlung von der thermischen Emission kalter Staubteilchen her, und Staub kann zwischen einem und zehn Prozent zur Gesamtmasse der Scheibe beitragen.

Mithilfe dieser Strahlung konnten die Astronomen das erwähnte Spiralmuster von einem Abstand von rund hundert Astronomischen Einheiten (100 Mal dem mittleren Abstand der Erde von der Sonne) zum Zentralstern bis hinaus zu einer Entfernung von 300 Astronomischen Einheiten verfolgen.   Eine Erklärung für die Entstehung dieser Struktur ist, dass sich in der Scheibe bereits ein Planet gebildet hat.

ALMA hat auch in der Tat ein schmales Band in der Scheibe mit deutlich weniger Staub entdeckt, das freilich nicht groß genug ist, einen Planeten zu beherbergen der groß genug wäre, das beobachtete Spiralmuster zu erzeugen. Andererseits kann auch die Gravitation der Scheibe selbst Instabilitäten hervorrufen, die ein solches Spiralmuster erzeugen können. Eingedenk der Gesamtmasse der Scheibe und der Form und Symmetrie des Spiralmusters wird auch diese Möglichkeit von den Autoren für durchaus wahrscheinlich gehalten.

ALMA-Beobachtungen dieser Art werden zunehmend häufiger werden und mehr und mehr Bilder von inhomogenen Substrukturen in protoplanetaren Scheiben liefern. Dann sollten die Astronomen in der Lage sein, die Eigenschaften solcher Strukturen genauer zu beschreiben und ihre Rolle für die Planetenentstehung aufzuklären.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind als L. M. Pérez et al., "Spiral Density Waves in a Young Protoplanetary Disk," in der Ausgabe vom 30. September der Fachzeitschrift Science erschienen.

Die Autoren sind Laura M. Pérez (Max-Planck-Institut für Radioastronomie), John M. Carpenter (Joint ALMA Observatory), Sean M. Andrews, Luca Ricci (beide Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics [CfA]), Andrea Isella (Rice University), Hendrik Linz (Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA]), Anneila I. Sargent (California Institute of Technology), David J. Wilner (CfA), Thomas Henning (MPIA), Adam T. Deller (ASTRON), Claire J. Chandler (NRAO), Cornelis P. Dullemond (Universität Heidelberg), Joseph Lazio (Jet Propulsion Laboratory), Karl M. Menten (MPIfR), Stuartt A. Corder (Joint ALMA Observatory), Shaye Storm (CfA), Leonardo Testi (ESO and INAF), Marco Tazzari (ESO), Woojin Kwon (Korea Astronomy and Space Science Institute), Nuria Calvet (University of Michigan), Jane S. Greaves (Cardiff University), Robert J. Harris (University of Illnois) und Lee G. Mundy (University of Maryland).

Weitere Abbildungen und Downloadbereich

Abbildung 2: Die zirkumstellare Scheibe von Elias 2-27 zeigt deutliche Spiralstrukturen. Gezeigt ist hier die thermische Emission von Staubkörnern in dieser Scheibe, wie sie bei 1,3 mm Wellenlänge vom Interferometer ALMA beobachtet wurde. Die Scheibe ist um rund 55 Grad zu unserer Sichtlinie geneigt (bei 0 Grad sähe man von oben auf die Scheibenoberfläche, bei 90 Grad gäbe es einen Blick auf den Scheibenrand). Dies führt dazu, daß einige geometrische Formen verzerrt erscheinen. Links: die originale Intensitätsverteilung, dargestellt in einer logarithmischen Farbskalierung. Rechts: Mit der Methode der sogenannten Unscharf-Maskierung wurde der Kontrast bei den Daten erhöht. Im konkreten Fall wurde die Intensitätsverteilung mit einem Gauss-artigen Filter verschmiert, mit einem Faktor von 0.87 skaliert, und dann vom Originalbild subtrahiert. Dies führt zu einer immensen Verbesserung der Sichtbarkeit der Spiralstrukturen in der Elias 2-27-Scheibe. Bild vergrößern
Abbildung 2: Die zirkumstellare Scheibe von Elias 2-27 zeigt deutliche Spiralstrukturen. Gezeigt ist hier die thermische Emission von Staubkörnern in dieser Scheibe, wie sie bei 1,3 mm Wellenlänge vom Interferometer ALMA beobachtet wurde. Die Scheibe ist um rund 55 Grad zu unserer Sichtlinie geneigt (bei 0 Grad sähe man von oben auf die Scheibenoberfläche, bei 90 Grad gäbe es einen Blick auf den Scheibenrand). Dies führt dazu, daß einige geometrische Formen verzerrt erscheinen. Links: die originale Intensitätsverteilung, dargestellt in einer logarithmischen Farbskalierung. Rechts: Mit der Methode der sogenannten Unscharf-Maskierung wurde der Kontrast bei den Daten erhöht. Im konkreten Fall wurde die Intensitätsverteilung mit einem Gauss-artigen Filter verschmiert, mit einem Faktor von 0.87 skaliert, und dann vom Originalbild subtrahiert. Dies führt zu einer immensen Verbesserung der Sichtbarkeit der Spiralstrukturen in der Elias 2-27-Scheibe. [weniger]
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Wärmestrahlung des Staubs in der protoplanetaren Scheibe rund um den jungen Stern Elias 2-27. Die Spiralstruktur ist deutlich zu erkennen.

Abbildung 1

Abbildung 2: Die zirkumstellare Scheibe von Elias 2-27 zeigt deutliche Spiralstrukturen. Gezeigt ist hier die thermische Emission von Staubkörnern in dieser Scheibe, wie sie bei 1,3 mm Wellenlänge vom Interferometer ALMA beobachtet wurde. Die Scheibe ist um rund 55 Grad zu unserer Sichtlinie geneigt (bei 0 Grad sähe man von oben auf die Scheibenoberfläche, bei 90 Grad gäbe es einen Blick auf den Scheibenrand). Dies führt dazu, daß einige geometrische Formen verzerrt erscheinen. Links: die originale Intensitätsverteilung, dargestellt in einer logarithmischen Farbskalierung. Rechts: Mit der Methode der sogenannten Unscharf-Maskierung wurde der Kontrast bei den Daten erhöht. Im konkreten Fall wurde die Intensitätsverteilung mit einem Gauss-artigen Filter verschmiert, mit einem Faktor von 0.87 skaliert, und dann vom Originalbild subtrahiert. Dies führt zu einer immensen Verbesserung der Sichtbarkeit der Spiralstrukturen in der Elias 2-27-Scheibe.

Abbildung 2

Abbildung 3

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