Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).

Sie sind so nah an Sternen, dass sie bis zu 1.000 Grad Celsius heiß werden: Das Phänomen der heißen Staubringe – eine Ansammlung von submikrometergroßen Partikeln in unmittelbarer Nähe von Sternen – wurde 2006 das erste Mal außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt. Doch aufgrund ihrer geringen Größe sind die Staubpartikel schwierig zu beobachten und ihr Ursprung bislang ungeklärt.

Zum ersten Mal konnte dieses Phänomen jetzt mit der extrem hohen Auflösung des Beobachtungsinstruments MATISSE (Multi AperTure mid-Infrared Spectro Scopic Experiment) am Paranal Observatory der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile in einem neuen Wellenlängenbereich beobachtet werden. Beteiligt war auch die Arbeitsgruppe Stern- und Planetenentstehung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Ihre Ergebnisse, die kürzlich im Fachmagazin Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters erschienen sind, liefern zentrale Grundlagen für weitere Studien um das Phänomen dieser Staubringe zu erklären.

Einzigartige Beobachtungen in einem bisher nicht zugänglichen Wellenlängenbereich
Staubringe, auch „Staubscheiben“ oder „Trümmergürtel“ genannt, bilden sich durch die Kollisionen von Geröll und Kleinkörpern, die nach der Entstehung von Planeten übrigbleiben – so viel ist seit einigen Jahrzehnten bekannt. In unserem Sonnensystem ist eine solche Ansammlung zum Beispiel zwischen der Mars- und Jupiterbahn zu finden, der sogenannte „Asteroidengürtel“. Rätsel geben jedoch die 2006 erstmals entdeckten heißen Staubringe auf. Wie konnten sie sich unter den hohen Temperaturen, denen sie so nah an den Sternen ausgesetzt sind, bilden und über Milliarden Jahre bestehen?

Genaue Informationen über ihre räumliche Struktur und stoffliche Zusammensetzung könnten helfen, das Phänomen der heißen Staubringe und ihrer Entstehung besser zu verstehen. Die jetzt veröffentlichten Beobachtungen mit MATISSE sind ein zentraler Schritt dahin, hoffen die Forschenden. “Wir konnten die heißen Staubringe nicht nur mit einer hohen Auflösung beobachten, sondern auch im Wellenlängenbereich um drei Mikrometer, in dem diese Ringe besonders hell strahlen“, sagt Sebastian Wolf, Professor für Astrophysik und Leiter der Arbeitsgruppe Stern- und Planetenentstehung an der CAU. „Dieser Bereich war mit bisherigen Beobachtungsinstrumenten nicht zugänglich und erlaubt uns jetzt einen einzigartigen Einblick in dieses Phänomen.“

Erste publizierte Daten des Instruments nach zwölf Jahren Entwicklungszeit
Wolfs Arbeitsgruppe war Teil des internationalen Konsortiums von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland, Frankreich, den Niederlanden und Österreich, die das Beobachtungsinstrument MATISSE zwölf Jahre lang entwickelt hatten. 2019 ging das weltweit leistungsfähigste interferometrische Instrument für den mittleren Infrarotbereich am VLTI (Very Large Telescope Interferometer) an der ESO in Chile in Betrieb. Bis zu vier Teleskope können genutzt werden, um die Infrarotstrahlung von Himmelsobjekten zu erfassen. Bezeichnet wird diese Messmethode als Interferometrie. Die Forschenden erhalten also keine unmittelbaren Aufnahmen der Objekte, sondern die technischen Messdaten lassen Rückschlüsse auf ihre Erscheinungsform und Eigenschaften zu. Durch die Kombination von vier Teleskopen erreicht MATISSE eine enorme Auflösung, die der eines 200 Meter langen Teleskopes entsprechen würde. Mit der bisher unerreichten Präzision von MATISSE sind Einblicke in die frühste Entwicklung von Planeten und letztendlich der Entstehung des Sonnensystems möglich.

Auf diese Weise beobachtete das Forschungsteam, an dem neben der CAU auch Forschende des University College London, des Large Binocular Telescope Observatory in Tucson (USA) sowie der Universitäten Arizona, Côte d’Azur und Jena beteiligt waren, den Stern „Kappa Tucanae“. Er befindet sich im Sternbild „Tukan“, das nur auf der Südhalbkugel zu sehen ist. Der Stern ist etwa zwei Milliarden Jahre alt – weniger als halb so alt wie unsere Sonne – und etwa 69 Lichtjahre von der Erde entfernt. Anhand der erhobenen Daten konnten die Forschenden die genaue Lage des Staubrings um „Kappa Tucanae“ sowie die Eigenschaften des Staubs ermitteln.

Grundlage für die weitere Suche nach dem Ursprung der Staubringe
„Diese Informationen sind wichtige Voraussetzungen für die Suche nach dem Ursprung des Phänomens“, sagt Erstautor Dr. Florian Kirchschlager, ehemaliger Wissenschaftlicher Mitarbeiter in Wolfs Arbeitsgruppe und mittlerweile am University College London beschäftigt. „Dass es auch die ersten Daten des Instruments sind, die überhaupt publiziert wurden, freut uns natürlich besonders.“ Kirchschlager erstellte im Rahmen seiner Forschungen an der CAU die Machbarkeitsstudie zu den Beobachtungen an „Kappa Tucanae“. Denn Staubringe sind im astronomischen Sinne nicht nur winzig, sondern auch verhältnismäßig leuchtschwach. „Damit haben sie selbst MATISSE vor besondere Herausforderungen gestellt. Dass die Beobachtungen trotzdem geglückt sind, unterstreicht das einzigartige Potential des Instruments“, betont Mitautor Dr. Steve Ertel, der als Doktorand in Wolfs Arbeitsgruppe an Trümmerscheiben forschte und mittlerweile an der University of Arizona tätig ist.

„Die jetzt gesammelten und ausgewerteten Beobachtungsdaten bilden die Grundlage für unsere weitere Forschung an einem Erklärungsmodell für die heißen Staubringe“, sagt Wolf, Vizesprecher in der Forschungsgruppe 2285 „Trümmerscheiben in Planetensystemen“, die an der Friedrich-Schiller-Universität Jena angesiedelt ist unter dem Sprecher Professor Alexander Krivov.

Originalpublikation:
“First L band detection of hot exozodiacal dust with VLTI/MATISSE”,
F. Kirchschlager, S. Ertel, S. Wolf, A. Matter and A. V. Krivov, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, MNRAS, 499, L47,
DOI: 10.1093/mnrasl/slaa156, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.499L..47K/abstract

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• Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile

Der Beitrag CAU: Von heißem Staub umgeben erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Eric Honstrass. Quelle: NASA. Vertont von Dominik Mayer.

Erstmals haben Wissenschaftler somit Materialien um einen zerborstenen Stern gefunden, die geeignet sind, Planeten hervorzubringen.
„Es überrascht uns, dass der Prozess der Planetenentstehung ein so universeller zu sein scheint“, sagt Dr. Deepto Chakrabarty vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. „Pulsare emittieren eine ungeheure Menge hochenergetischer Strahlung, dennoch haben wir in der rauhen Umgebung eine Scheibe ausgemacht, die sehr stark denjenigen um jungen Sternen ähnelt, wo sich Planeten bilden.“

Der Fund ist das Puzzlestück, das seit 1992 fehlt, als nämlich Dr. Aleksander Wolszczan von der Pennsylvania-State-Universität drei Planeten entdeckte, die den Pulsar PSR B1257+12 umkreisen. Diese Pulsar-Planeten waren die ersten überhaupt entdeckten extrasolaren Planeten. Seiher haben Astronomen indirekte Beweise für deren Entstehung aus einem Trümmergürtel entdeckt, bislang konnte aber ein solcher Trümmergürtel nicht nachgewiesen werden.

Der von Spitzer beobachtete Pulsar 4U 0142+61 liegt in 13.000 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Cassiopeia. Einst war er ein hell leuchtender Stern mit zehn- bis zwanzigfacher Sonnenmasse. Der Stern existierte wahrscheinlich etwa zehn Millionen Jahre, bis er vor etwa 100.000 Jahren unter seinem Eigengewicht kollabierte und in einer Supernovaexplosion auseinanderstob.

Einige der Trümmerteile aus der Explosion haben sich möglicherweise scheibenförmig um den geschrumpften Reststern gesammelt. Spitzer konnte das warme Glimmen der Staubscheibe mit seinen wärmeempfindlichen Infrarot-Augen sehen. Die Scheibe umkreist den Pulsar in ungefähr 1,6 Millionen Kilometern Entfernung und beinhaltet etwa die zehnfache Erdmasse an Material.

Pulsare sind Supernova-Überreste, Neutronensterne, die unglaublich dicht sind: Sie vereinen etwa die 1,4-fache Masse der Sonne in einem nur 16 Kilometer großen Körper. Ein Teelöffel Neutronensternmasse würde hier etwa 2 Milliarden Tonnen wiegen. Der Pulsar 4U 0142+61 ist ein Röntgen-Pulsar, was bedeutet, das er Röntgenstrahlung emittiert und Röntgenimpulse aussendet.

Jeder Planet um einen Stern, der zu einem Pulsar wird, würde bei der Supernovaexplosion eingeäschert werden. Die von Spitzer entdeckte Scheibe rund um den Pulsar stellt möglicherweise den ersten Schritt einer Entwicklung zu einer exotischen Art Planetensystem dar, ähnlich dem von Wolszczan im Jahre 1992 entdeckten. „Ich finde, die direkten Hinweise auf eine sich bildende Trümmerscheibe zu sehen, sehr aufregend. Dies könnte das Anfangsstadium einer zweiten Planetengeneration sein“, meint Wolszczan.

Pulsar-Planeten wären intensiver Strahlung ausgesetzt und von den Planeten in unserem Sonnensystem sehr verschieden. „Diese Planeten gehören zu den lebensfeindlichsten Orten in unserer Galaxie“, meint Dr. Charles Beichmann, Astronom am Jet Propulsion Laboratory und vom California Institute of Technology.

Eine beeindruckende Animation einer Supernova mit anschließender Trümmerringbildung finden Sie auf der NASA-Seite (~ 6,5 MB).

Der Beitrag Spitzer-Teleskop findet Hinweise auf Planetengeburt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.