Planeten- und Sternentstehung

Direkte Beobachtung der protoplanetaren Scheibe um LkCa 15 mit dem Subaru-Teleskop Bild vergrößern
Direkte Beobachtung der protoplanetaren Scheibe um LkCa 15 mit dem Subaru-Teleskop

Sterne entstehen, wenn riesige Gaswolken unter ihrer eigenen Schwerkraft in sich zusammenfallen. Um den jungen Stern bildet sich dabei eine Scheibe aus Gas und Staub, in der Planeten entstehen.

Die Grundidee für diese Prozesse geht bereits auf Immanuel Kant Mitte des 18. Jahrhunderts zurück.

Die Einzelheiten dagegen sind nach wie vor Gegenstand aktiver Forschung - und eines der wichtigsten Forschungsgebiete hier am MPIA.

Fast zu allen Schritten der Planeten- und Sternentstehung gibt es dabei noch offene Fragen: Wie bilden sich überhaupt die Wolken, die dann in sich zusammenfallen? Welche Rolle spielen äußerer Druck, Magnetfelder und Turbulenz? Wie entstehen die protoplanetaren Scheiben, in denen sich die Planeten bilden?

Wie geht es im Einzelnen vor sich, wenn die Scheibenmaterie sich zunächst auf mikroskopischen Größenskalen verklumpt und dann immer weiter wächst - bis riesige Brocken entstanden sind, die sich allein aufgrund ihrer Schwerkraft zu Planeten zusammenfinden? Welche Rolle spielt die Wanderung von Planeten, deren Umlaufbahn sich in der Scheibe nach innen oder außen verschiebt?

Über die letzten Jahrzehnte hinweg konnten Astronomen mithilfe neuer Beobachtungstechniken zumindest einige dieser Fragen beantworten - und bei anderen einer Antwort zumindest näherkommen.

Diese Daten des Weltraumteleskops Herschel halfen, die dreidimensionale Struktur der Dunkelwolke Barnard 68 aufzuklären Bild vergrößern
Diese Daten des Weltraumteleskops Herschel halfen, die dreidimensionale Struktur der Dunkelwolke Barnard 68 aufzuklären

Neue hochaufgelöste Bilder (wie das oben rechts) zeigen so feine Details protoplanetarer Gas- und Staubscheiben wie nie zuvor.

Das Weltraumteleskop Herschel (im Einsatz 2009 bis 2013) und das Submillimeter-/Millimeterteleskop ALMA (fertiggestellt 2013) erlauben es, Gas und Staub im interstellaren Raum so empfindlich und detailreich nachzuweisen wie nie zuvor.

Auf diese Weise werden z.B. detaillierte Rekonstruktionen der Dunkelwolken möglich, in denen neue Sterne entstehen können (siehe Bild links). In solchen Wolken lassen sich inzwischen Regionen identifizieren, deren Dichte nur ein wenig über dem Wolkendurchschnitt liegt, die aber gerade damit beginnen, in sich zusammenzufallen - das allererste Vorstadium der Sternentstehung.

Diese Simulation einer protoplanetaren Scheibe zeigt, wo sich durch Turbulenzen Wirbel bilden (dunklere Flecke) - dort kann Materie besonders gut zu Planetenvorläufern verklumpen Bild vergrößern
Diese Simulation einer protoplanetaren Scheibe zeigt, wo sich durch Turbulenzen Wirbel bilden (dunklere Flecke) - dort kann Materie besonders gut zu Planetenvorläufern verklumpen

Um zu verstehen, welche physikalischen Einflüsse bei der Planeten- und Sternentstehung am Werke sind, führen wir außerdem aufwändige Computersimulationen durch. Darin werden wichtige Faktoren wie die Schwerkraft und Effekte der Hydrodynamik einschließlich von Turbulenz ebenso berücksichtigt wie Magnetfelder. Die protoplanetare Scheibe, die einen jungen Stern umgibt, ist ein komplexes, dreidimensionales Gebilde, und detailgetreue Simulationen sind nur auf Supercomputern machbar - und liefern selbst dann nur sinnvolle Ergebnisse, wenn man den ständig wachsenden Fundus an Beobachtungsdaten gebührend einfließen lässt. 

Bis vor rund 20 Jahren konnten die Astronomen nur ein einziges Beispiel für ein Planetensystem untersuchen, nämlich unser eigenes Sonnensystem. Mittlerweile sind über tausend Exoplaneten bekannt, also Planeten, die andere Sterne umkreisen als die Sonne. MPIA-Forscher vergleichen im Rahmen der sogenannten "Populationssynthese" die Vorhersagen der gängigen Entstehungsmodelle über die Häufigkeit bestimmter Arten von Planet (z.B. "Wieviele jupiterähnliche Planeten einer gegebenen Masse sollte es im Abstand von 200 Lichtjahren geben?") mit den Beobachtungsdaten für Exoplaneten.

 
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