Quelle: Universität Wien 6. Mai 2022.

6. Mai 2022 – Ein Forschungsteam unter Beteiligung von Álvaro Hacar vom Institut für Astrophysik der Universität Wien hat mithilfe von ALMA die Massenverteilung von über 870 planetenbildenden Scheiben in der Orion A-Wolke untersucht und überraschende Ähnlichkeiten gefunden: Demnach nimmt die Staubmasse von planetenbildenden Scheiben nur mit ihrem Alter ab, die chemische Zusammensetzung und Dynamik der Ursprungswolke scheint keine Rolle zu spielen. Für die Analyse der beispiellos großen Stichprobe wurde zudem ein neues Verfahren zur Datenreduktion entwickelt.

Die Frage, wie ähnlich andere Planetensysteme unserem Sonnensystem sind, ist eine der spannendsten der heutigen astronomischen Forschung. Eine aktuelle Studie unter Beteiligung von Astrophysiker*innen der Universität Wien zeigt nun, dass sich Planetensysteme überraschend ähnlich entwickeln.

Für die aktuell im Journal Astronomy & Astrophysics veröffentlichte Studie, wurden über 870 planetenbildende Scheiben untersucht. Den Schlüssel bildete dabei die Scheibenmasse: Rund um junge Sterne bilden sich Scheiben aus Staub und Gas, die sich zu Ringen verdichten; mit der Zeit wachsen Felsbrocken und schließlich Planeten, wodurch dann die Masse der Staub-Gas-Wolke abnimmt.

„Bisher wussten wir jedoch nicht genau, welche Eigenschaften die Entwicklung von Planetenscheiben um junge Sterne dominieren“, sagt Hauptautor Sierk van Terwisga, Wissenschafter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Um zu untersuchen, wie dieser Prozess verläuft und wovon er beeinflusst wird, wählte das Astronom*innen-Team die Orion A-Wolke, eine große und bekannte Region mit jungen Sternen, die etwa 1.350 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. „Die statistische Aussagekraft unserer Aufnahmen von 873 Scheiben um junge Sterne war entscheidend, um kleine Variationen in der Scheibenmasse in Abhängigkeit vom Alter und sogar von den lokalen Umgebungen innerhalb der Orion A-Wolke zu erkennen“, erklärt Álvaro Hacar vom Institut für Astrophysik der Universität Wien.

Hohe Korrelation zwischen Scheibenmasse und Alter
Die neuen Ergebnisse zeigen nun, dass die Scheibenmasse stark vom Alter des Systems aus Stern und Scheibe abhängt – zumindest, wenn die Scheiben nicht äußerlich, beispielsweise von sehr heißen Sternen in ihrer Nähe, beeinflusst werden. Mit anderen Eigenschaften der planetenbildenden Scheiben wie deren chemischer Zusammensetzung oder der Dynamik der Ursprungswolke, aus der die jungen Sterne mit ihren Scheiben hervorgegangen sind, fanden sich keine starken Zusammenhänge; hingegen war die Korrelation zwischen Scheibenmasse und Alter überraschend hoch. „Unsere Ergebnisse deuten also darauf hin, dass sich planetenbildende Scheiben ohne externe Einflüsse in ähnlicher Weise entwickeln“, so Hacar.

Die Stichprobe geht auf frühere Beobachtungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop zurück, über das die Scheiben identifiziert werden konnten. Gemessen wurde die Scheibenmasse dann mithilfe des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), das sich in der chilenischen Atacama-Wüste befindet. Für die Studie wurde jede Scheibe bei einer Wellenlänge von 1,2 Millimetern angepeilt: „In diesem Spektralbereich wird der kalte Staub sichtbar, nicht jedoch alle Objekte, die größer als ein paar Millimeter sind – vom Felsbrocken bis zum Planeten. Wir haben daher wirklich nur die Masse gemessen, aus dem sich dann Planeten bilden könnten“, erklärt Hacar.

ALMA besteht aus 66 parabolischen Antennen, die wie ein einziges Teleskop funktionieren. Das Kombinieren und die Kalibrierung der Daten hätte bei einem so großen Datensatz nach dem Standardverfahren Monate gedauert. Daher entwickelte das Team auch ein neues Verfahren zur Datenreduktion, das auf parallelem Rechnen beruht und die Verarbeitungsgeschwindigkeit um den Faktor 900 steigerte. Die Berechnung und Aufbereitung der Daten für die Analyse – für die immerhin 3.000 CPU-Stunden zu leisten waren – konnte so in nur einem Tag bewältigt werden.

Hinweise auf verblüffend ähnliche Planetensysteme
Die Ergebnisse aus der Orion A-Wolke wurden von den Astronom*innen auch mit mehreren anderen Sternenentstehungsgebieten verglichen – und bis auf zwei fanden sich auch dort die starken Zusammenhänge zwischen Scheibenmasse und Alter. Die Studie zeige somit, dass „zumindest innerhalb der nächsten etwa 1.000 Lichtjahre alle Gruppierungen von planetenbildenden Scheiben die gleiche Masseverteilung bei einem bestimmten Alter aufweisen“, so Hauptautor van Terwisga. Das Ergebnis könnte sogar ein Hinweis auf die Entstehung von verblüffend ähnlichen Planetensystemen sein.

In einem nächsten Schritt will das Team mögliche Einflüsse von nahen Sternen im Abstand von einigen Lichtjahren untersuchen. „Die beispiellose Größe unseres Samples öffnet ein neues Fenster zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung ganzer Scheibenpopulationen auf Wolkenskalen“, betont Hacar von der Universität Wien.

Originalpublikation:
S.E. van Terwisga et al., „Survey of Orion Disks with ALMA (SODA). I: Cloud-level demographics of 873 protoplanetary disks“, Astronomy & Astrophysics (2022). DOI: arxiv.org/abs/2202.11057
arXiv: https://arxiv.org/abs/2202.11057
pdf: https://arxiv.org/pdf/2202.11057

Zusätzliche Information
Das Team besteht aus S.E. van Terwisga (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland), A. Hacar (Institut für Astrophysik, Universität Wien, Österreich), E.F. van Dishoeck (Leidener Observatorium, Universität Leiden, Niederlande [LObs]; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching bei München, Deutschland), R. Oonk (SURF, Leiden, Niederlande; LObs; Niederländisches Institut für Radioastronomie (ASTRON), Dwingeloo, Niederlande), und S. Portegies Zwart (LObs).

Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) ist eine Partnerschaft zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO), der U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem National Science Council of Taiwan (NSC) und vom NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert.

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• Planetenentstehung

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Quelle: Universität zu Köln.

10. Dezember 2021 – Eine vermeintliche Gas- und Staubwolke im Zentrum unserer Galaxie besteht eigentlich aus drei besonders jungen Sternen. Das zeigt eine neue Studie unter Leitung von Wissenschaftler*innen des I. Physikalischen Instituts der Universität zu Köln. Die Daten dazu lieferte das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte – ein Teleskop mit Spiegel-Durchmessern von 8,20 Metern auf dem Gipfel des Cerro Paranal in Chile. Die Sterne entstanden vor weniger als 1 Millionen Jahren, was astrophysikalisch sehr jung ist. Zum Vergleich: Unsere Sonne ist knapp 5 Milliarden Jahre alt. Die Studie ist in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal erschienen.

Bereits 2011 wurde in den Infrarotdaten des Very Large Telescope ein Objekt gefunden, welches versprach, einen nie dagewesenen Vorgang im Zentrum unserer Galaxie zu beobachten. Basierend auf einer Multi-Wellenlängenanalyse stellten Wissenschaftler*innen fest, dass es sich bei dem Gebilde um eine Gas- und Staubwolke handeln müsse. Die Staubwolke bekam den Namen G2. Durch die Interaktion mit dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie, SgrA*, hätte G2 zerrissen werden und ein sprichwörtliches Feuerwerk verursachen müssen. Die Forscher*innen nahmen an, dass beim Aufeinandertreffen von G2 mit SgrA verschiedene Prozesse dazu führen würden, dass das Gas und der Staub das schwarze Loch zum Aufflammen bringen. Allein, das Feuerwerk blieb aus.

Zudem gab es weitere Faktoren, die Astronom*innen weltweit Kopfzerbrechen bereiteten und kontroverse Diskussionen befeuerten. So haben Studien ergeben, dass die Temperatur von G2 fast doppelt so hoch ist wie die von umliegenden Staubquellen. Eine mögliche Erklärung der Temperatur von G2 wäre die extreme Anzahl von Sternen im Zentrum unserer Galaxie. So könnten diese Sterne G2 aufgeheizt haben. Nur stellt sich die Frage, warum alle anderen bekannten Staubquellen im Galaktischen Zentrum eine viel geringere Temperatur zeigen. Auch schied das Schwarze Loch, SgrA*, als Hitzequelle aus. Denn wie bei einer Heizung, der man sich nähert, hätte die Temperatur von G2 steigen müssen, je näher die vermeintliche Staubwolke dem schwarzen Loch kommt. Die Temperatur blieb allerdings über einen langen Zeitraum konstant, obwohl die Distanz zum Schwarzen Loch variierte. Je intensiver G2 weltweit beobachtet wurde, desto mehr stellte sich heraus, dass das kosmische Objekt mehr sein musste als nur eine Gas- und Staubwolke.

Die neuen Ergebnisse zeigten, dass es sich bei G2 um drei einzelne Sterne handelt. „Wir hatten die Möglichkeit, selbst mehrere Male das Zentrum unserer Galaxie mit dem Very Large Telescope zu observieren. Zusammen mit den Daten aus dem Südsternwarten-Archiv konnten wir einen Zeitraum von 2005 bis 2019 abdecken“, erklärt Dr. Florian Peißker vom I. Physikalischen Institut und Erstautor der neuen Studie. Auch war die außergewöhnliche Struktur der Daten hilfreich um G2 zu finden. So hat jeder Pixel des aufgenommenen Bildes ein dazugehöriges Spektrum, welches einen ganz bestimmten und sehr detaillierten Wellenbereich abdeckt. Für die Wissenschaftler*innen bietet dies eine enorme Detailgenauigkeit. „Die reine Tatsache, dass es sich bei G2 um drei entwickelnde junge Sterne handelt, ist sensationell. Noch nie wurden Sterne um SgrA* observiert, die jünger waren als die gefundenen“, so Peißker.

Die Ergebnisse öffnen die Tür für viele weitere spannende Fragen. Zum Beispiel, woher diese jungen Sterne kommen. So ist die strahlungsintensive Umgebung eines supermassiven schwarzen Lochs nicht unbedingt der beste Ort, um junge Sterne zu produzieren. Peißker schlussfolgert: „Die neuen Ergebnisse liefern einzigartige Einblicke in die Wirkungsweise von Schwarzen Löchern. Wir können daher die Umgebung von SgrA* als Blaupause benutzen, um mehr über die Entwicklung und Abläufe von anderen Galaxien in ganz anderen Ecken unseres Universums zu lernen.“

Publikation:
https://arxiv.org/pdf/2112.04543
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac23df

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