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Autor: Ralph-Mirko Richter / 05. November 2014, 20:51 Uhr

Gasströme in Mehrfachsystemen fördern Planetenbildung

Astronomen haben mit dem Radioteleskopverbund ALMA einen Gasstrom beobachtet, welcher von einer massereichen äußeren protoplanetaren Scheibe hin zu den inneren Bereichen eines Mehrfachsternsystems fließt. Dieser noch nie zuvor dokumentierte Vorgang könnte dafür verantwortlich sein, dass eine zweite, kleinere planetenbildende Scheibe, welche sich ansonsten bereits vor langer Zeit aufgelöst hätte, aufrecht erhalten wird. In dieser zweiten Scheibe könnten einmal Planeten entstehen.

Quelle: ESO
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ESO, L. Calçada

Bild vergrößernDiese künstlerische Darstellung zeigt den Staub und das Gas um das aus drei Sternen bestehende Sternsystem GG Tau A. Astronomen haben mit dem Radioteleskopverbund ALMA in der Region zwischen den zwei Scheiben dieses Systems Gasströme entdeckt, welche sich von der äußeren zur inneren Scheibe bewegen. Dieser Vorgang könnte es ermöglichen, dass sich im Einflussbereich des Sterns GG Tau Ab trotz der störenden gravitativen Einflüsse in Zukunft Planeten bilden könnten. Die Hälfte aller sonnenähnlichen Sterne werden in Doppelsternsystemen geboren. Diese Entdeckung könnte somit massive Auswirkungen auf die zukünftige Suche nach Exoplaneten haben.
(Bild: ESO, L. Calçada)
Unsere Heimatgalaxie - die Milchstraße - setzt sich aus etwa 200 Milliarden Sternen zusammen. All diese Sterne verfügen über die unterschiedlichsten physikalischen Eigenschaften, anhand derer sie von den Astronomen klassifiziert und bestimmten Gruppen zugeordnet werden können. Die Sonne - das Zentralgestirn unseres heimatlichen Sonnensystems - stellt dabei einen etwa durchschnittlich großen Stern dar, welcher der Spektralklasse G2V zugeordnet wird. Die Sonne verfügt über einen Durchmesser von rund 1,4 Millionen Kilometern und beinhaltet etwa 99,86 Prozent der Masse aller in unserem Sonnensystem befindlichen Himmelskörper. Im Gegensatz zu vielen anderen Sternen unserer Heimatgalaxie bewegt sich die Sonne dabei als 'einzelner Stern' um das Massezentrum unserer Galaxie.

Etwa 60 bis 70 Prozent der in unserer Galaxie beheimateten Sterne sind - im Gegensatz zu der Sonne – dagegen Bestandteile von Doppel- oder Mehrfachsternsystemen. Diese Sterne sind gravitativ an ihre jeweiligen Partnersterne gebunden und umkreisen dabei einen gemeinsamen Masseschwerpunkt. Obwohl derartige Sternkonstellationen im Weltall somit sehr häufig auftreten sind die dort ablaufenden physikalischen 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.

Planetenentstehung in Doppelsternsystemen

Planeten - so die allgemein anerkannte Theorie - entstehen aus dem Material, welches im Rahmen einer Sternentstehung nicht verbraucht wird. Dieses Material konzentriert sich zunächst in einer den Stern umgebenden protoplanetaren Scheibe, aus der letztendlich im Verlauf eines komplexen Entstehungsprozesses Planeten hervorgehen. Dies ist allerdings - so eine ebenfalls anerkannte These -ein über mehrere Jahrmillionen ablaufender Prozess, was wiederum bedeutet, dass eine langlebige protoplanetare Scheibe eine der Grundvoraussetzungen für eine erfolgreiche Planetenbildung darstellt.

In der Umgebung von Doppelsternsystemen - so die bisherige Meinung - sind die Bedingungen für die Bildung von Planeten jedoch nicht optimal, da die dort auftretenden gravitativen Kräfte einen zu starken und dabei störenden Einfluss auf die protoplanetaren Scheiben ausüben. Die Planetenentstehung in solchen Systemen sollte somit aufgrund der gegebenen Ausgangsbedingungen deutlich schwieriger sein, als dies bei Einzelsternen der Fall ist.

Erst in den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass es sich bei vielen der bis zum heutigen Tag entdeckten und definitiv bestätigten 1.849 Exoplaneten um Gasriesen handelt, welche sich in Sternsystemen befinden, bei denen es sich um Doppel- oder gar Mehrfachsternsysteme handelt. Dadurch eröffneten sich für die Exoplanetenjäger neue und vielversprechende "'Jagdgründe'.

Das komplexe Mehrfachsternsystem GG Tauri

Ein von Anne Dutrey von der Universität Bordeaux/Frankreich geleitetes Astronomen-Team hat kürzlich mit dem ALMA-Teleskopverbund die Verteilung von Gas und Staubpartikeln in einem Mehrfachsternsystem namens GG Tau-A beobachtet, welches sich in einer Entfernung von etwa 450 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Stier (lateinischer Name "Taurus") befindet. Dieses System besteht aus dem Einzelstern GG Tau Aa und dem Doppelsternsystem GG Tau Ab. Zusammen mit dem Doppelsternsystem GG Tau B bilden diese Sterne ein noch weit komplexes, aus fünf Sternen bestehendes System.

Die beiden Sterne, welche innerhalb dieser Sternanordnung das System GG Tau Ab bilden, umkreisen sich in einer Entfernung von etwa 4,5 Astronomischen Einheiten (eine astronomische Einheit - kurz AE - beschreibt den mittleren Abstand zwischen der Erde und der Sonne und beträgt rund 150 Millionen Kilometer). Dieses Doppelsystem bewegt sich dabei in einer Entfernung von etwa 35 AEs zu dem 'direkten Partnerstern' GG Tau Aa. Alle drei Sterne sind maximal fünf Millionen Jahre alt.

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

Bild vergrößernDiese Weitfeldaufnahme zeigt die Himmelsregion rund um das aus fünf Sternen bestehende und erst wenige Millionen Jahre alte Mehrfachsternsystem GG Tauri, welches sich in dieser Aufnahme nahe der Bildmitte befindet. Das Foto zeigt nahe am oberen rechten Rand zudem eine H-II-Region, welche ein Bestandteil des Taurus-Dunkelwolken-Komplexes ist.
(Bild: ESO, Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin)
Staubscheiben in und um das System

Bereits seit längerem ist bekannt, dass das gesamte System dieser drei Sterne von einer größeren, äußeren protoplanetaren Scheibe umgeben ist, welche alle drei Sterne umfasst. Zusätzlich ist GG Tau Aa - der Hauptstern dieses Dreifachsystems - von einer weiteren, allerdings deutlich kleineren Scheibe umschlossen. Die Präsenz dieser zweiten Scheibe hat die Astronomen bislang vor ein Rätsel gestellt, da diese innere Scheibe laut den bisherigen Beobachtungen in einem so hohen Tempo Material an ihren Zentralstern abgibt, dass sie sich eigentlich schon längst aufgelöst haben müsste.

Bei den kürzlich erfolgten Beobachtungen durch den ALMA-Teleskopverbund konnten weitere Details über diese beiden protoplanetaren Scheiben enthüllt werden.

Die äußere Scheibe weist demzufolge eine Gesamtmasse von etwa 0,15 Sonnenmassen auf und besteht aus zwei Komponenten. Ein innerer Ring befindet sich in einer Entfernung zwischen 190 und 280 Astronomischen Einheiten zum gemeinsamen Massenzentrum der drei Sterne. An diesen Ring schließt sich ein äußerer Bereich an, welcher sich bis zu einer Entfernung von etwa 800 Astronomischen Einheiten ausdehnt. Die Scheibe, welche ausschließlich den Stern GG Tau A umgibt, verfügt dagegen über einen Durchmesser von etwa sieben AEs und weist eine Masse auf, welche in etwa der Masse des Planeten Jupiter entspricht.

Als das Team um Anne Dutrey das System von GG Tau A mit dem ALMA-Teleskopverbund beobachtete, entdeckten die Wissenschaftler in der Lücke, welche die beiden Scheiben voneinander trennt, zudem eine Konzentration von Gasmolekülen. Diese Beobachtung legt nahe, dass Material von der äußeren zur inneren Scheibe transferiert wird, wobei die äußere Scheibe als eine Art 'Materiallieferant' für die innere Scheibe dient.

"Computersimulationen haben ergeben, dass Material durch solche Lücken fließen kann. Dieser Vorgang konnte bislang aber nicht direkt beobachtet werden. Die Entdeckung dieser Gaskonzentrationen deutet darauf hin, dass sich das Material zwischen den beiden Scheiben bewegt und es der einen Scheibe erlaubt, die andere zu füttern", so Anne Dutrey. "Unsere Beobachtungen demonstrieren, dass Material aus der äußeren Scheibe die innere Scheibe eine lange Zeit am Leben erhalten kann. Dies hat massive Auswirkungen auf eine potenzielle Planetenentstehung."

Sofern der 'Fütterungsprozess' einer inneren Scheibe, welcher jetzt mit ALMA beobachtet wurde, auch in anderen Mehrfachsternsystemen auftritt, so eröffnet diese Entdeckung eine unzählige Menge an neuen potenziellen Orten, an denen in Zukunft Exoplaneten entdeckt werden könnten. Diese Studie stützt die bisherigen Beobachtungsergebnisse, nach denen sich Exoplaneten auch in Mehrfachsystemen bilden können und könnte somit massive Auswirkungen auf die zukünftige Suche nach Exoplaneten nach sich ziehen.

"Fast die Hälfte der sonnenähnlichen Sterne sind in Doppelsternsystemen entstanden. Unsere Beobachtung bedeutet, dass wir einen Mechanismus der Planetenentstehung gefunden haben, der für eine erhebliche Anzahl an Sternen in der Milchstraße gilt. Unsere Beobachtungen sind ein großer Schritt in Richtung eines vollständigen Verständnisses der Planetenentstehung", so Emmanuel Di Folco, einer der an der Studie beteiligten Astronomen.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 30. Oktober 2014 unter dem Titel "Planet formation in the young, low-mass multiple stellar system GG Tau-A" von Anne Dutrey et al. in der Fachzeitschrift Nature publiziert.

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