Exoplanets

Der Durchgang einer großen Wolke aus protoplanetaren Trümmern über das Gesicht eines jungen Sterns gab dem Spitzer-Weltraumteleskop unsere bisher beste Sicht auf die planetarische Evolution in Aktion.

Diese Abbildung zeigt, wie eine Trümmerwolke um den jungen Stern namens HD 166191 aus der Nähe aussehen könnte.NASA / JPL-Caltech

Obwohl die Planetenentwicklung in der fernen Vergangenheit unseres Sonnensystems stattfand, können wir noch heute beobachten, wie sich Protoplaneten um junge Sterne bilden. Aber zu verstehen, was passiert, ist schwierig, weil die Handlung zu weit weg stattfindet, als dass wir sie klar sehen könnten. Ab und zu ziehen jedoch planetenbildende Trümmer vor dem Stern vorbei, den er umkreist, und bilden eine Silhouette, die seine Größe und Position preisgibt.

Jetzt haben Astronomen eine große Wolke aus kollidierenden Trümmern gefunden, die einen jungen Stern namens HD 166191 umkreiste, seine Silhouette warf und unsere Vorstellungen von der Planetenentstehung auf die Probe stellte.

Glück auf ihrer Seite

Beginnend im Jahr 2014 verbrachte eine Gruppe unter der Leitung von Kate Su (University of Arizona) Jahre damit, wiederholt Infrarotemissionen um junge, 10 Millionen Jahre alte Sterne zu beobachten, um nach der warmen Signatur der Planetenentstehung zu suchen. Das Team nutzte das 3- bis 5-Mikron-Band, das für das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA während seiner „warmen“ Mission noch sichtbar ist, nachdem sein kryogenes Kühlmittel ausgegangen war. Die Forscher erwarteten, Staub, Trümmer und Planetesimale im Orbit zu finden, die aufeinanderprallen und sich allmählich ansammeln, um Planeten zu bilden und interplanetaren Staub zu erschöpfen.

Im Jahr 2019 berichtete Sus Team im Astronomical Journal über fünf Jahre Beobachtungen von zwei jungen sonnenähnlichen Sternen mit den Namen ID8 und P1121, die beide langfristige Veränderungen der Staubkonzentration über Zeitskalen von Wochen bis Jahren zeigten. Sie kamen zu dem Schluss, dass es in beiden Systemen zu großen Einschlagsereignissen gekommen war, bevor die Beobachtungen begonnen hatten, aber sie sahen keinen Trümmertransit in beiden Sternen.

Aber in ihrer neuesten Studie über einen Stern mit der Bezeichnung HD 166191, 329 Lichtjahre entfernt im Schützen, schlug ein glücklicher Zufall zu.

„Wir haben Glück – manche würden sagen, sehr viel Glück –, die durch den Aufprall erzeugte Trümmerwolke zu entdecken, die vor dem Stern vorbeigezogen ist“, sagt Su.

Wie bei Exoplaneten, die beim Transit über das Gesicht ihrer Sterne entdeckt werden, kann das Betrachten eines Transits von Trümmern ebenfalls seine Größe und Position relativ zum Stern verraten.

„Es erfordert eine perfekte Geometrie – ein nahezu kantennahes System, um den Transit zu sehen“, erklärt Su. „Deshalb müssen Exoplaneten-Transitmissionen wie Kepler und TESS Millionen von Sternen überwachen.“ Kein Wunder, dass sie sich glücklich schätzt.

Protoplanetarer Schutt

Nach fünf Jahren Beobachtungen berichteten Su und Kollegen im Astrophysical Journal vom 10. März, dass sie sowohl Spitzer als auch bodengestützte Teleskope verwendet hatten, um das System über mehrere Wellenlängen hinweg zu beobachten, als seine Infrarotemission ab Anfang 2018 heller wurde; es erreichte kurz vor der Schließung von Spitzer im Januar 2020 einen Höhepunkt.

Mittendrin beobachtete das Team, wie ein riesiger Staubklumpen zweimal vor dem Stern vorbeizog. Der Klumpen dehnte sich zwischen den beiden Transits aus und passierte kein drittes Mal.

Die Gruppe kam zu dem Schluss, dass zwei Körper von der Größe des Asteroiden Vesta kollidiert waren und einen riesigen Trümmerklumpen erzeugten – der möglicherweise eine Fläche bedeckt, die das Hundertfache des Sterns beträgt – der alle 142 Tage umkreist (die Trennung zwischen den beiden Transiten). Das entspricht einer Entfernung vom Stern von 0,62 astronomischen Einheiten oder etwas kleiner als die Umlaufbahn der Venus um die Sonne.

Da längere Wellenlängen leichter durch Staub hindurchgehen, aber immer noch blockiert werden, wenn es genug davon gibt, zeigten die Beobachtungen mit mehreren Wellenlängen auch die Struktur der Staubwolke: dick in der Mitte und diffuser zum Rand hin.

Infrarot-LichtkurveIndem sie die Änderungen der Infrarothelligkeit im Laufe der Zeit verfolgten, stellten die Astronomen zwei Einbrüche des Infrarotlichts fest, selbst wenn die Gesamthelligkeit zunahm. Diese Diagramme zeigen eine Nahaufnahme einer der Vertiefungen. Bei längeren Wellenlängen ist der Einbruch sowohl kürzer als auch flacher, wie es für eine Staubwolke zu erwarten ist.K. Suet al. / Astrophysikalische Zeitschrift 2022

„[The researchers] haben starke Beweise für anhaltende Kollisionen, von denen angenommen wird, dass sie während der Epoche des Rieseneinschlags auftreten, wenn Planeten wie die Erde das letzte Stück Material von einer protostellaren Scheibe ansammeln“, sagt Scott Kenyon (Harvard), der nicht an der Studie beteiligt war.

Kenyon fügt hinzu, dass das Team durch die Identifizierung des Ortes und der Menge an Trümmern in diesem System nun besser weiß, wonach es in anderen Sternensystemen suchen muss, beispielsweise beim James Webb Space Telescope.

Da Spitzer nicht mehr verfügbar ist, beobachtet Sus Gruppe jetzt Aktivitäten um HD 166191 und andere junge Sternsysteme mit anderen Infrarotinstrumenten der NASA, darunter das Stratosphären-Observatorium für Infrarotastronomie (SOFIA) und die Infrarot-Teleskopeinrichtung. Sie sagt, dass die Fortsetzung dieser Beobachtungen die vielen Computersimulationen der Planetenentstehung „überprüfen“ kann.

Kenyon merkt zum Beispiel an, dass aktuelle Simulationen im Allgemeinen keine Klumpen vorhersagen, die so groß sind wie der eine, den die Gruppe von Su im Orbit von HD166191 gefunden hat. Diese Modelle sind – wie die Wissenschaft im Allgemeinen – noch in Arbeit.


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