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Autor: Ralph-Mirko Richter / 04. August 2014, 22:28 Uhr

Doppelsternsystem mit zwei protoplanetaren Scheiben

Durch Observationen mit dem Radioteleskopverbund ALMA konnten Astronomen zwei protoplanetare Scheiben in dem Doppelsternsystem HK Tauri beobachten, von deren eine Scheibe ganz anders orientiert ist als die andere. Die Beobachtungen könnten bei der Beantwortung der Frage helfen, warum manche Exoplaneten sonderbare Umlaufbahnen mit hohen Exzentrizitäten oder ungewöhnlichen Neigungswinkeln aufweisen - ganz im Gegensatz zu den Planeten unseres eigenen Sonnensystems.

Quelle: ESO
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ESO, IAU, Sky&Telescope

Bild vergrößernDiese Karte zeigt - markiert durch den roten Kreis - die Position des Doppelsternsystems HK Tauri im Sternbild Stier (lat. Name "Taurus"). Dieses Sternpaar ist allerdings sehr lichtschwach und kann deshalb nur mit größeren Teleskopen beobachtet werden.
(Bild: ESO, IAU, Sky&Telescope)
Im Gegensatz zu dem Zentralgestirn unseres Sonnensystems entstehen die meisten Sterne nicht alleine, sondern als Doppelsterne. Diese Sterne sind gravitativ an ihre jeweiligen Partnersterne gebunden und umkreisen dabei einen gemeinsamen Masseschwerpunkt. Obwohl derartige Doppelsternsysteme im Weltall sehr häufig vorkommen sind die dort ablaufenden Prozesse bisher immer noch nicht vollständig verstanden. Eine der offenen Fragen lautet, wie und wo sich in solchen komplexen Umgebungen Planeten bilden können. Beobachtungen mit dem in der nordchilenischen Atacamawüste befindlichen Radioteleskopverbund ALMA könnten jetzt weitere entscheidende Hinweise liefern.

Zwecks dieser Arbeit untersuchten zwei US-amerikanische Astronomen das Doppelsternsystem HK Tauri, welches sich in einer Entfernung von rund 450 Lichtjahren im Sternbild Stier (lat. Name "Taurus") befindet. Die beiden Komponenten dieses Doppelsystems sind weniger als fünf Millionen Jahre alt und liegen rund 58 Milliarden Kilometer voneinander entfernt, was in etwa dem 13-fachen Abstand des Planeten Neptun von der Sonne entspricht. Außerdem sind beide Sterne von protoplanetaren Scheiben umgeben.

"ALMA hat uns jetzt den bisher besten Blick auf ein Doppelsternsystem mit protoplanetaren Scheiben geboten - und wir sehen, dass jede der Scheiben eine ganz eigene Orientierung aufweist", so Eric Jensen, Astronom am Swarthmore College im Bundesstaat Pennsylvania/USA, welcher die entsprechende Studie zusammen mit Rachel Akeson vom NASA Exoplanet Science Institute am California Institute of Technology (CIT) in Pasadena/USA durchgeführt hat.

HK Tauri: Zwei Sterne, zwei Scheiben - aber mit unterschiedlichen Orientierungen im Raum...

B. Saxton (NRAO/AUI/NSF), K. Stapelfeldt et al. (NASA/ESA Hubble)

Bild vergrößernDiese Aufnahme des Doppelsternsystems HK Tauri ist eine Kombination aus den Aufnahmen im sichtbaren Licht und den Infrarotdaten des Weltraumteleskops Hubble mit den neuen Daten von ALMA. Beobachtungen dieses Systems mit ALMA haben das bisher deutlichste Bild protoplanetarer Scheiben in einem Doppelsternsystem geliefert. Die neuen Forschungsergebnisse liefern eine mögliche Erklärung dafür, dass - im Gegensatz zu den Planeten in unserem Sonnensystem - so viele Exoplaneten über sonderbar exzentrische oder stark geneigte Umlaufbahnen verfügen.
(Bild: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF), K. Stapelfeldt et al. (NASA/ESA Hubble))
Die protoplanetare Scheibe von HK Tauri B - dem etwas dunkleren der beiden Sterne - verfügt über einen Durchmesser von rund 32 Milliarden Kilometern. Aufgrund ihrer Ausrichtung im All kann diese Scheibe - ähnlich einer so genannten Edge-On-Galaxie - von der Erde aus direkt 'von der Seite' betrachtet werden. Hierbei erscheint sie als eine 'dunkle Wolke', welche das Licht des im Inneren der Scheibe gelegenen Sterns weitgehend abschattet. So kann der Stern die Scheibe nicht überstrahlen, wodurch sich wiederum besonders gute Bedingungen für Beobachtungen der Scheibe im sichtbaren und im nah-infraroten Wellenlängenbereich des Lichts ergeben.

Der zweite Stern - HK Tauri A - verfügt ebenfalls über eine protoplanetare Scheibe, welche allerdings über eine vollkommen andere Orientierung in Bezug auf die Erde verfügt. Diese Scheibe ist gegen die Sichtlinie gekippt, wodurch das Sternenlicht nicht 'ausblendet' werden kann. Deshalb ist es im sichtbaren Licht nicht möglich, die Scheibe zu beobachten, da ihr schwaches Leuchten von der Helligkeit des Sterns überstrahlt wird. Im Millimeter-Wellenlängenbereich strahlt sie jedoch hell und kann von ALMA problemlos detektiert werden.

Mittels des Radioteleskopverbundes ALMA waren die Astronomen nicht nur in der Lage, die Scheibe um HK Tauri A nachzuweisen, sondern auch deren Rotation zu vermessen. Mit dieser Zusatzinformation konnten die Wissenschaftler berechnen, dass die beiden Scheiben um etwa 60 Grad zueinander geneigt sind. Dies bedeutet jedoch, dass die Scheiben nicht beide parallel zu der Ebene orientiert sein können, in der die zwei Sterne einander umkreisen. Mindestens eine dieser beiden Scheiben - wenn nicht sogar beide - muss dabei gegen die Bahnebene des Doppelsternsystems gekippt sein.

NASA, JPL-Caltech, R. Hurt (IPAC)

Bild vergrößernDieses Bild zeigt die mit ALMA aufgenommenen Geschwindigkeitsdaten, mit deren Hilfe die Astronomen herausfinden konnten, dass die Scheiben in HK-Tauri-System relativ zueinander stark geneigt sind. Die Daten basieren auf dem Doppler-Effekt. Die roten Bereiche repräsentieren Material, das sich von der Erde weg und die blauen Bereiche solches, das sich zur Erde hin bewegt.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, R. Hurt (IPAC))
"Diese deutliche Schieflage hat uns einen bemerkenswerten Blick auf ein junges Doppelsternsystem erlaubt”, so Rachel Akeson. "Obwohl schon frühere Beobachtungen einen Hinweis auf die Existenz einer solchen Schieflage gegeben haben, zeigen die neuen ALMA-Beobachtungen von HK Tauri viel deutlicher als vorher, was in einem solchen Doppelsternsystem wirklich vor sich geht."

Die Umlaufbahnen von Planeten um ihre Muttersterne

Sterne - und letztendlich auch deren Planeten - bilden sich aus interstellaren Ansammlungen von Gas- und Staubwolken. Sobald diese Materieansammlungen - bedingt durch die Einwirkung von graviativen Kräften - kollabieren und sich dabei verdichten, setzt neben dem Sternentstehungsprozess eine Drehbewegung dieser 'Materiewolke' ein. Ein Teil des in dieser Wolke enthaltenen Materials bildet im Rahmen dieses Prozesses eine abgeflachte Scheibe, welche den langsam wachsenden Protostern umkreist. Planeten, welche sich in der darauffolgenden Zeit aus dem Material von diesen Scheiben bilden, werden ihren Zentralstern auch zukünftig auf der gleichen Ebene umkreisen, auf der diese Wolke ursprünglich den Protostern umlief. In unserem Sonnensystems umrunden zum Beispiel alle Planeten die Sonne auf mehr oder weniger annähernd kreisrunden Umlaufbahnen im Bereich der Ekliptik.

In einem Doppelsternsystem wie HK Tauri gestaltet sich die Situation jedoch sehr viel komplizierter. Sobald zwei eng beieinander liegende Sterne und deren jeweiligen Scheiben sich nicht in einer Ebene befinden, führen gravitative Einflüsse automatisch zu Störungen. Die Gravitationsanziehung des einen Sterns wird dabei die Scheibe des anderen Sterns beeinflussen und diese zum 'Taumeln' bringen. Zeitgleich wird auch der andere Stern die Scheibe seines 'Partners' beeinflussen. Ein Planet, welcher sich in einer solchen Situation in einer der Scheiben bildet, wird ebenfalls eine Störung durch den anderen Stern erfahren, was zu einer Veränderung in der Neigung der Umlaufbahn oder zu einer Veränderung der Exzentrizität führen kann.

R. Hurt (NASA, JPL-Caltech, IPAC)

Bild vergrößernEine künstlerische Darstellung der Ausrichtung der beiden Scheinen in dem Doppelsystem HK Tauri.
(Bild: R. Hurt (NASA, JPL-Caltech, IPAC))
Hierdurch bedingt können derartig beeinflusste Planeten auch auf hochexzentrische und gegenüber der Ekliptik stark geneigten Umlaufbahnen abgelenkt werden. In extremen Fällen können solche Bedingungen sogar dazu führen, dass Planeten retrograde, also entgegengesetzt der ursprünglichen Rotationsrichtung der Scheibe, verlaufende Umlaufbahnen einnehmen. Ein Beispiel hierfür ist der Exoplanet WASP-17b (Raumfahrer.net berichtete). Derartig 'chaotische' Umlaufbahnen wurden in der Vergangenheit bereits mehrfach bei den bisher 1.811 entdeckten Exoplaneten beobachtet und sorgten dabei unter den auf die Bahnmechanik von Himmelskörpern spezialisierten Astronomen für eine gewisse Verwirrung.

"Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass es in Doppelsternsystemen tatsächlich Bedingungen gibt, unter denen sich Planetenbahnen verändern können - und dass die Grundlage dafür zum Zeitpunkt der Planetenentstehung geschaffen wird, offenbar aufgrund des Entstehungsprozesses eines solchen Systems", so Eric Jensen. "Wir können zwar nicht ausschließen, dass es alternative Erklärung gibt - aber wir können zeigen, dass ein zweiter Stern durchaus als Erklärung infrage kommt."

ESO, Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

Bild vergrößernDiese Übersichtsaufnahme zeigt ausgedehnte Staubwolken und kleine Sternentstehungsbereiche in einem Teil des Taurus-Sternentstehungsgebietes im Sternbild Stier. Einer der vielen leuchtschwachen Sterne im Zentrum der Aufnahme zeigt den jungen Doppelstern HK Tauri. Beobachtungen dieses Systems mit ALMA haben das bisher deutlichste Bild protoplanetarer Scheiben in einem Doppelsternsystem geliefert. Das hier gezeigte Bild wurde aus Daten vom Digitized Sky Survey 2 erstellt.
(Bild: ESO, Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin)
Da ALMA den ansonsten unsichtbaren Staub und das Gas von protoplanetaren Scheiben 'sehen' kann, ermöglicht dieses Teleskop noch nie zuvor mögliche Blicke auf dieses junge Doppelsternsystem. Die Astronomen wollen jetzt untersuchen, ob derartige 'Schieflagen" der protoplanetaren Scheiben für Doppelsternsysteme typisch sind oder nicht. Erst weitere Himmelsdurchmusterungen werden dabei zeigen, ob dieser interessante Fund ein Einzelfall bleibt, oder ob solche Systeme in unserer Heimatgalaxie häufiger vorkommen.

"Obwohl es ein großer Schritt nach Vorn ist, diesen Mechanismus zu verstehen, kann er nicht alle merkwürdigen Umlaufbahnen von extrasolaren Planeten erklären. Dafür gibt es einfach nicht genug Doppelsternbegleiter. Das ist also auch ein interessantes Rätsel, dass es noch zu lösen gilt", so Eric Jensen weiter.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden kürzlich von Eric Jensen und Rachel Akeson unter dem Titel "Misaligned Protoplanetary Disks in a Young Binary Star System" in der Fachzeitschrift Nature publiziert.

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