Zum ersten Mal haben Astronomen die Prozesse, die zu Sternen und Planeten in entstehenden Sonnensystemen führen, in beispiellosen Einzelheiten beobachtet. Mit beiden Keck-Teleskopen auf Mauna Kea in Hawaii, die mit einem speziell entwickelten Instrument namens ASTRA (ASTrometric and Phase-Referenced Astronomy) ausgestattet waren, konnten Joshua Eisner von der University of Arizona und seine Kollegen tief in protoplanetare Scheiben blicken - wirbelnde Gaswolken und Staub, der den wachsenden Stern in seiner Mitte füttert und schließlich zu Planeten und Asteroiden verschmilzt, um ein Sonnensystem zu bilden. Was sie sahen, war ein Einblick in die Art und Weise, wie Wasserstoffgas von der protoplanetaren Scheibe in den Stern eingebaut wird.
Um die extrem feine Auflösung zu erhalten, die erforderlich ist, um die Prozesse zu beobachten, die an der Grenze zwischen dem Stern und seiner umgebenden Scheibe 500 Lichtjahre von der Erde entfernt stattfinden, kombinierte das Team das Licht der beiden Keck-Teleskope, was eine Winkelauflösung liefert, die feiner ist als die von Hubble . Eisner und sein Team verwendeten auch eine Technik namens Spektro-Astrometrie, um die Auflösung noch weiter zu steigern. Indem die Forscher das von den Protoplanetenscheiben bei verschiedenen Wellenlängen ausgehende Licht bei verschiedenen Wellenlängen mit beiden Keck-Teleskopspiegeln messen und mit ASTRA weiter manipulieren, erreichten sie die Auflösung, die zur Beobachtung von Prozessen in den Zentren der entstehenden Sonnensysteme erforderlich ist.
"Die Winkelauflösung, die Sie mit dem Hubble-Weltraumteleskop erzielen können, ist etwa 100-mal zu grob, um sehen zu können, was außerhalb eines entstehenden Sterns vor sich geht, der nicht viel größer als unsere Sonne ist", sagte Eisner. Mit anderen Worten, selbst eine protoplanetare Scheibe, die nahe genug ist, um in der Nähe unseres Sonnensystems betrachtet zu werden, würde als merkwürdiger Fleck erscheinen.
Mit dieser neuen Technik konnte das Team zwischen der Verteilung von Gas, das hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, und Staub unterscheiden und so die Eigenschaften der Festplatte auflösen.
"Wir konnten dem Stern sehr, sehr nahe kommen und genau auf die Grenzfläche zwischen der gasreichen protoplanetaren Scheibe und dem Stern schauen", sagte Eisner.
Protoplanetare Scheiben bilden sich in Sternenkindergärten, wenn Wolken aus Gasmolekülen und Staubpartikeln unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenbrechen.
Die Wolke dreht sich zunächst langsam und wird durch die wachsende Masse und Schwerkraft dichter und kompakter. Die Aufrechterhaltung des Rotationsimpulses beschleunigt die Schrumpfung der Wolke, ähnlich wie sich eine Eiskunstläuferin schneller dreht, wenn sie an ihren Armen zieht. Die Zentrifugalkraft glättet die Wolke zu einer sich drehenden Scheibe aus wirbelndem Gas und Staub, wodurch schließlich Planeten entstehen, die ihren Stern in ungefähr derselben Ebene umkreisen.
Astronomen wissen, dass Sterne Masse gewinnen, indem sie einen Teil des Wasserstoffgases in die sie umgebende Scheibe einbauen. Dies wird als Akkretion bezeichnet und kann auf zwei Arten erfolgen.
In einem Szenario wird Gas verschluckt, während es bis zur feurigen Oberfläche des Sterns gespült wird.
Im zweiten, viel gewalttätigeren Szenario drücken die vom Stern ausgehenden Magnetfelder das sich nähernde Gas zurück und bewirken, dass es sich zusammenballt, wodurch eine Lücke zwischen dem Stern und seiner umgebenden Scheibe entsteht. Anstatt an der Oberfläche des Sterns zu lecken, bewegen sich die Wasserstoffatome wie auf einer Autobahn entlang der Magnetfeldlinien und werden dabei überhitzt und ionisiert.
"Sobald das Gas im Magnetfeld des Sterns gefangen ist, wird es entlang der Feldlinien geleitet, die sich hoch über und unter der Ebene der Scheibe wölben", erklärte Eisner. "Das Material stürzt dann mit hohen Geschwindigkeiten in die Polarregionen des Sterns."
In diesem Inferno, das jede Sekunde die Energie von Millionen von Atombomben in Hiroshima-Größe freisetzt, wird ein Teil des gewölbten Gasstroms von der Scheibe ausgestoßen und als interstellarer Wind weit in den Weltraum ausgestoßen.
"Wir wollen verstehen, wie sich Material auf dem Stern ansammelt", sagte Eisner. "Dieser Prozess wurde nie direkt gemessen."
Eisners Team richtete die Teleskope auf 15 protoplanetare Scheiben mit jungen Sternen, deren Masse zwischen der Hälfte und dem Zehnfachen unserer Sonne variiert.
"Wir konnten erfolgreich erkennen, dass das Gas in den meisten Fällen einen Teil seiner kinetischen Energie sehr nahe an den Sternen in Licht umwandelt", sagte er, ein verräterisches Zeichen für das gewalttätigere Akkretionsszenario.
„In anderen Fällen haben wir Hinweise auf Winde gesehen, die zusammen mit Material, das sich auf dem Stern angesammelt hat, in den Weltraum geschleudert wurden“, fügte Eisner hinzu. "Wir haben sogar ein Beispiel gefunden - um einen Stern mit sehr hoher Masse - in dem die Scheibe bis zur Sternoberfläche reichen kann."
Die Sonnensysteme, die die Astronomen für diese Studie ausgewählt haben, sind noch jung, wahrscheinlich einige Millionen Jahre alt.
"Diese Festplatten werden noch einige Millionen Jahre bestehen", sagte Eisner. "Zu diesem Zeitpunkt können sich die ersten Planeten bilden, Gasriesen ähnlich wie Jupiter und Saturn, die viel Scheibenmaterial verbrauchen."
Festere, felsige Planeten wie die Erde, die Venus oder der Mars werden erst viel später verfügbar sein.
"Aber die Bausteine für diese könnten sich jetzt bilden", sagte er. Deshalb ist diese Forschung wichtig für unser Verständnis der Entstehung von Sonnensystemen, einschließlich solcher mit potenziell bewohnbaren Planeten wie der Erde.
"Wir werden sehen, ob wir ähnliche Messungen von organischen Molekülen und Wasser in protoplanetaren Scheiben durchführen können", sagte er. "Das wären diejenigen, die möglicherweise Planeten mit den Bedingungen für das Leben entstehen lassen."
Das Papier des Teams wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht
Aufsatz: Eisner et al. Räumlich und spektral aufgelöstes Wasserstoffgas innerhalb von 0,1 AE von T Tauri und Herbig Ae / Be Stars.
Quelle: Universität von Arizona
