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Extrem kalte Scheibe rund um jungen Stern bietet staubige Überraschung

3. Februar 2016

Dass die protoplanetare Scheibe mit dem Spitznamen „Fliegende Untertasse“ Rätsel aufgibt, hat nichts mit Außerirdischen zu tun, sondern mit winzigen Partikeln kosmischen Staubs. Eine neue Messung der Staubtemperatur in dieser Scheibe mit dem Teleskopverbund ALMA ergab überraschend niedrige Werte von nur 7 Grad über absolut Null (7 K). Die beteiligten Astronomen, darunter Dmitry Semenov vom Max-Planck-Institut für Astronomie, fanden, dass sich diese Temperatur nur durch ungewöhnliche Eigenschaften der Staubkörner in der Scheibe erklären lässt. Damit könnten solche Staubscheiben allgemein massereicher sein als bislang angenommen – mit Konsequenzen für die Planeten, die darin entstehen.
Hintergrundinformationen Ausführliche Beschreibung der Ergebnisse
Die Rho-Ophiuchus-Sternentstehungsregion, 400 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das kleine Bild zeigt eine Infrarotaufnahme der protoplanetaren Scheibe mit dem Spitznamen „Fliegende Untertasse“, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Jüngste Beobachtungen haben gezeigt, dass der Staub in dieser Scheibe unerwartet kalt ist. Bild vergrößern
Die Rho-Ophiuchus-Sternentstehungsregion, 400 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das kleine Bild zeigt eine Infrarotaufnahme der protoplanetaren Scheibe mit dem Spitznamen „Fliegende Untertasse“, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Jüngste Beobachtungen haben gezeigt, dass der Staub in dieser Scheibe unerwartet kalt ist. [weniger]

Die protoplanetare Scheibe mit dem Spitznamen "Fliegende Untertasse" sieht nicht nur auf astronomischen Bildern ungewöhnlich aus. Als Astronomen das Bild mit dem Teleskopverbund ALMA beobachteten, schien es auf den ersten Blick eine widersinnige Eigenschaft zu haben: Die Beobachtungen ergaben für das Objekt eine negative Menge an ausgesandter Strahlung. Die scheinbare Absurdität dieser Aussage löst sich in Wohlgefallen auf, wenn man die Details des ALMA-Messprozesses berücksichtigt. Dahinter steckt allerdings eine durchaus reale unerwartete Eigenschaft: Entgegen der Erwartungen ist der Staub in dieser Scheibe kälter als die direkt dahinterliegenden Molekülwolken.

Das ist sehr ungewöhnlich. Solche Scheiben werden schließlich von ihrem Zentralstern aufgewärmt. Ist ihr Staub trotzdem derart kalt, bloße 7 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt (anders gesagt: 7 Kelvin), dann muss er einigermaßen ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen.

Als Stephane Guilloteau von der Universität Bordeaux und Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie diese Beobachtungen vorgeschlagen hatten, war die Messung der Temperatur der Staubscheibe zwar durchaus ihr Ziel gewesen - aber mit derart niedrigen Temperaturen hatte keiner der beiden gerechnet.

Dmitry Semenov vom Max-Planck-Institut für Astronomie, einer der Autoren der Studie, sagt: "Die üblichen Modelle gehen davon aus, dass die Staubkörner kompakt und kugelförmig sind. Aber eine Scheibe aus solchen Staubkörnern, die einen sonnenähnlichen Stern umgibt, würde nie auf so niedrige Temperaturen kommen. Die gemessene tiefe Temperatur weist auf kompliziertere Verhältnisse hin: Die Staubkörner könnten kompakt sein, aber nicht rund - es könnte sich beispielsweise um längliche Körner handeln, oder um poröse Zusammenschlüsse aus kleineren kompakten Körnern. Alternativ könnten die Zentralregionen der Fliegenden Untertasse ungewöhnlich große Staubkörner enthalten, die eine andere Temperatur aufweisen als das sie umgebende Gas, und sehr kalt bleiben."

Anhand der vorliegenden Daten lässt sich nicht entscheiden, welche der möglichen Erklärungen die richtig ist. Entsprechende weitere Beobachtungen sind geplant – nicht zuletzt, weil von den Staubeigenschaften einiges abhängt: Protoplanetare Scheiben wie diese hier sind die Geburtsstätten von Planeten, und die Staubeigenschaften spielen in diesem Zusammenhang gleich mehrere wichtige Rollen. Zum einen ist die Verklumpung solcher Staubteilchen der erste Schritt der Planetenentstehung: Die dabei entstehenden Konglomerate verklumpen immer weiter, haben schließlich soviel Masse, dass auch die Schwerkraft eine wichtige Rolle spielt, und Schritt für Schritt entstehen durch Verklumpungen auf immer größeren Skalen schließlich Planeten.

Außerdem sind die Oberflächen der Staubkörner so etwas wie Miniatur-Laboratorien: Sie bieten die richtigen Voraussetzungen für chemische Reaktionen, bei denen sich selbst kompliziertere organische Verbindungen bilden können. Das wiederum könnte wichtig dafür sein, ob auf einem der neu gebildeten Planeten am Ende Leben entstehen kann oder nicht.

Last but not least nutzt eine verbreitete Methode, die Gesamtmasse protoplanetarer Scheiben zu bestimmen, Messungen der vom Staub ausgesandten Strahlung. Dadurch wird die Menge an Staub abgeschätzt und daraus wiederum über einen Umrechnungsfaktor auf die weit größere Masse in Form molekularen Gases geschlossen. Auch diese Umrechnung könnte sich ändern, wenn der Staub einer Scheibe ungewöhnliche Eigenschaften hat – mit Konsequenzen für die Abschätzung der Scheibenmasse und damit auch davon, was für Planeten sich aus der betreffenden Scheibe bilden können.

Daher gilt: Wer sich für Planetenentstehung interessiert, sollte sich tunlichst mit dem in protoplanetaren Scheiben vorhandenen Staub auskennen. Die Fliegende Untertasse zeigt, dass dieser Staub zumindest in einigen Fällen deutlich weniger einfach sein dürfte, als oft angenommen wird.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht als S. Guilloteau et al., "The shadow of the Flying Saucer: A very low temperature for large dust grains" in Astronomy & Astrophysics Letters.

Eine ausführliche Beschreibung der Ergebnisse ist hier zugänglich.

Die beteiligten MPIA-Forscher sind

Dmitry Semenov, Thomas Henning und Til Birnstiel

in Zusammenarbeit mit

S. Guilloteau (Université de Bordeaux/CNRS, Floirac), V. Piétu (IRAM, Saint Martin d’Hères), E. Chapillon (Université de Bordeaux/CNRS; IRAM), E. Di und A. Dutrey (beide University of Bordeaux/CNRS) sowie N. Grosso (Observatoire Astronomique de Strasbourg).

 
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