Astronomen haben zum ersten Mal Monde entdeckt, die sich in der Trümmerscheibe um einen großen Exoplaneten bilden. Astronomen haben lange vermutet, dass so größere Planeten - wie Jupiter in unserem eigenen Sonnensystem - ihre Monde bekommen. Es passiert alles um einen sehr jungen Stern namens PDS 70, ungefähr 370 Lichtjahre entfernt im Sternbild Centaurus.
"Zum ersten Mal können wir die verräterischen Anzeichen einer zirkumplanetaren Scheibe endgültig erkennen ..."
Andrea Isella, Hauptautorin, Rice University
Die akzeptierte Theorie, wie sich Planeten bilden, wird als Nebelhypothese bezeichnet. Alles beginnt mit der Bildung eines Sterns in einer riesigen Gaswolke, die als Riesenmolekülwolke (GMC) bezeichnet wird. Während sich der Stern bildet, wird die Wolke zu einer rotierenden abgeflachten Scheibe aus Gas und Staub geformt, die als protoplanetare Scheibe oder zirkumstellare Scheibe bezeichnet wird. Die Materie verschmilzt zu Klumpen auf dieser Scheibe, und diese Klumpen verwandeln sich in Planeten.
Wenn die Masse eines Planeten, der sich in der Scheibe bildet, größer als ungefähr 10 Erdmassen wird, passiert etwas anderes. Aufgrund seiner Masse öffnet dieser Planet eine Lücke in der protoplanetaren Scheibe. Wenn Material durch diese Lücke gelangt, kann es dem Planeten so nahe kommen, dass die Schwerkraft des Planeten die Schwerkraft des Wirtssterns dominiert. Dieses Material wird dann in einer zirkumplanetaren Scheibe (CPD) eingeschlossen, die sich wie eine Scheibe innerhalb einer Scheibe um den Planeten dreht.
Ein Großteil des Materials innerhalb einer zirkumplanetaren Scheibe wird auf dem sich bildenden Planeten angesammelt. Aber nicht alles. Die gleichen Kräfte, die Planeten aus der zirkumstellaren Scheibe erzeugt haben, wirken. Sie können Monde aus dem Material erzeugen, das sich in der Scheibe um den Planeten dreht.
Jetzt hat ein Team von Astronomen diese zirkumplanetare Scheibe und Monde, die sich darin bilden, zum ersten Mal entdeckt.
Die Hauptautorin der Studie, die diese Ergebnisse umreißt, ist Andrea Isella, Astronomin an der Rice University in Houston, Texas. Die Ergebnisse wurden in Briefen des Astrophysical Journal veröffentlicht und tragen den Titel „Nachweis der Emission von Kontinuumsubmillimetern in Verbindung mit Kandidatenprotoplaneten“.
"Planeten bilden sich aus Gas- und Staubscheiben um neu gebildete Sterne. Wenn ein Planet groß genug ist, kann er seine eigene Scheibe bilden, wenn er Material in seiner Umlaufbahn um den Stern sammelt", sagte Isella. "Jupiter und seine Monde sind zum Beispiel ein kleines Planetensystem in unserem Sonnensystem, und es wird angenommen, dass Jupiters Monde aus einer zirkumplanetaren Scheibe entstanden sind, als Jupiter noch sehr jung war."
Es passiert alles um den Stern PDS 70. Dieser Stern war vor etwa einem Jahr in den Nachrichten, als Astronomen das erste Bild eines sich neu bildenden Planeten auf einer zirkumstellaren Scheibe aufnahmen. Dieser Planet heißt PDS 70b. Diese Entdeckung war damals aus gutem Grund eine große Neuigkeit.
PDS 70b ist nicht der einzige Planet, der den Stern umkreist. Es gibt einen anderen Planeten, PDS 70c, ebenfalls im Orbit, und beide sind Gasriesen. Beide Planeten wurden vom Very Large Telescope (VLT) des European Southern Observatory (ESO) im optischen und infraroten Bereich erfasst. Das warme Leuchten von Wasserstoff, das sich in den beiden Planeten ansammelt, hat sie verraten.
Das Team kombinierte die VLT-Beobachtungen mit neuen Funkbeobachtungen aus dem Atacama Large Millimeter / Sub-Millimeter Array (ALMA). Das Ergebnis ist ein überzeugender Beweis für eine protoplanetare Scheibe um den äußersten Stern, PDS 70c.
"Zum ersten Mal können wir die verräterischen Anzeichen einer zirkumplanetaren Scheibe schlüssig erkennen, was dazu beiträgt, viele der aktuellen Theorien der Planetenbildung zu unterstützen", sagte Andrea Isella, Hauptautorin.
"Wenn wir unsere Beobachtungen mit den hochauflösenden Infrarot- und optischen Bildern vergleichen, können wir deutlich erkennen, dass eine ansonsten rätselhafte Konzentration winziger Staubpartikel tatsächlich eine Staubscheibe ist, die den Planeten umgürtet, das erste derartige Merkmal, das jemals endgültig beobachtet wurde", sagte er. Laut den Forschern ist dies auch das erste Mal, dass ein Planet in diesen drei unterschiedlichen Lichtbändern deutlich gesehen wurde.
Eine Frage beantwortet, eine andere gestellt
PDS 70b und c weisen unterschiedliche Merkmale auf, und das Team hinter dieser Studie weiß nicht genau, was dies alles bedeutet.
"Was dies ist und was es für dieses Planetensystem bedeutet, ist noch nicht bekannt."
Andrea Isella, Hauptautorin, Rice University
PDS 70c, der äußerste Stern des Paares, ist so weit von seinem Stern entfernt wie Neptun von der Sonne. Es befindet sich genau an der gleichen Stelle wie ein offensichtlicher Staubknoten in den ALMA-Daten. Da dieser Planet in den Infrarot- und Wasserstoffbändern des Lichts so hell leuchtet, können die Astronomen überzeugend sagen, dass sich dort bereits ein vollständig ausgebildeter Planet in der Umlaufbahn befindet. Die hellen Infrarot- und Wasserstoffbänder zeigen, dass das nahegelegene Gas immer noch auf der Oberfläche des Planeten akkretiert wird, wodurch der Wachstumsschub für Jugendliche beendet wird.
Astronomen schätzen, dass PDS 70c ungefähr das 1- bis 10-fache der Jupitermasse beträgt. "Wenn sich der Planet am größeren Ende dieser Schätzung befindet, ist es durchaus möglich, dass sich um ihn herum Monde in Planetengröße bilden", bemerkte Isella.
Aber bei PDS 70b ist noch etwas anderes los. Auf diesen Planeten, die ungefähr so weit von ihrem Stern entfernt sind wie Uranus von der Sonne, folgt eine Staubmasse wie ein Schwanz. Und die Astronomen sind sich nicht sicher, wie es passt.
"Was dies ist und was es für dieses Planetensystem bedeutet, ist noch nicht bekannt", sagte Isella. "Das einzig schlüssige, was wir sagen können, ist, dass es weit genug vom Planeten entfernt ist, um ein unabhängiges Merkmal zu sein."
Astronomen sind sich ziemlich sicher, dass der Prozess, den sie um PDS 70c herum sehen können, der gleiche Prozess ist, mit dem Jupiters Monde erzeugt wurden. Es ist jedoch erwähnenswert, dass sich der andere Gasriese unseres Sonnensystems von Jupiter unterscheidet. Saturns Monde wurden wahrscheinlich als Ergebnis einer zirkumplanetaren Scheibe erzeugt, aber seine eisigen Ringe wurden wahrscheinlich von Kometen und anderen felsigen Körpern erzeugt, die ineinander krachten.
Diese exoplanetaren Systeme sind im optischen und infraroten Licht bekanntermaßen schwer zu beobachten. Die Energie des Sterns in diesen Teilen des Spektrums übertönt das Licht der Planeten. Aber nicht für ALMA.
ALMA konzentriert sich auf Radiowellen und Sterne senden Radiowellen nur schwach aus. Das Team sagt, dass es das PDS 70-System mit ALMA weiterhin beobachten kann, um zu beobachten, wie es sich ändert und entwickelt.
"Dies bedeutet, dass wir zu verschiedenen Zeitpunkten zu diesem System zurückkehren und die Umlaufbahn der Planeten und die Staubkonzentration im System einfacher abbilden können", schloss Isella. "Dies gibt uns einzigartige Einblicke in die Umlaufbahn-Eigenschaften von Sonnensystemen in ihren frühesten Entwicklungsstadien."
Die Entdeckung dieser zirkumplanetaren Scheibe und der wahrscheinlichen Monde, die sich darin bilden, ist an sich schon interessant, aber die Art und Weise, wie das Team die Scheibe gefunden hat, ist auch für die Zukunft vielversprechend. Während andere gefunden wurden, ist diese Studie die überzeugendste.
"Es gibt eine Handvoll Kandidatenplaneten, die in Scheiben entdeckt wurden, aber dies ist ein sehr neues Feld, und sie werden alle noch diskutiert", sagte Isella. "(PDS 70 b und PDS 70 c) gehören zu den robustesten, da unabhängige Beobachtungen mit verschiedenen Instrumenten und Techniken durchgeführt wurden."
Am Ende ihrer Arbeit sagen die Autoren: „Wir argumentieren, dass optische, NIR- und (Sub-) Millimeter-Beobachtungen sich sehr gut ergänzen, da sie verschiedene Aspekte von Planetenakkretionsprozessen untersuchen und von verschiedenen systematischen Fehlern betroffen sind.“ Sie stellen auch fest, dass ALMA allein die Arbeit nicht erledigen kann. Durch die Kombination der verschiedenen Beobachtungen haben sie diese Exoplaneten und ihre Scheiben für detailliertere Untersuchungen geöffnet.
Aus der Studie: „Da ALMA und vorhandene optische Teleskope ihre volle Bildgebungsfähigkeit erreichen, könnten bevorstehende Beobachtungen nahegelegener zirkumstellarer Scheiben, die durch Hohlräume und Lücken gekennzeichnet sind, wie sie in PDS 70 beobachtet wurden, mehr neugeborene Planeten aufdecken, die mit ihrer Geburtsscheibe interagieren. Solche Beobachtungen sind von grundlegender Bedeutung für die Untersuchung der Prozesse, die für die Bildung von Planetensystemen verantwortlich sind. “
Quellen:
- Pressemitteilung: Mondbildende zirkumplanetare Scheibe im fernen Sternensystem entdeckt
- Pressemitteilung: Mondbildende Scheibe um fernen Planeten entdeckt
- Forschungsbericht: Nachweis der Kontinuums-Submillimeter-Emission in Verbindung mit Kandidaten-Protoplaneten
