Spiralen helfen bei der Planetengeburt

Astronomen entdecken Dichtewellen in einer protoplanetaren Scheibe um einen Stern

Wissenschaftler unter Leitung von Laura Pérez vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie haben eine auffällige Spiralarmstruktur in der Gas- und Staubscheibe um den jungen Stern Elias 2-27 entdeckt. Die Struktur umfasst die Materie nahe der Mittelebene der Scheibe – also diejenige Region, in der neue Planeten geboren werden können. Das heißt: Die Spiralen sind entweder Folge der Anwesenheit junger Planeten oder aber sie schaffen die Bedingungen, unter denen neue Planeten überhaupt erst entstehen.

Planeten kommen im Innern von Scheiben aus Gas und Staub rund um neugeborene Sterne zur Welt. Diese Grundidee hat eine lange Geschichte, aber die Astronomen sind erst seit kurzem in der Lage, derartige Scheiben direkt zu beobachten. Ein frühes Beispiel ist die Entdeckung der Silhouetten solcher Scheiben in den 1990er-Jahren mit dem Weltraumteleskop Hubble. Bilder von Details gelangen den Astronomen dagegen erst sehr viel später. So etwa haben sie mit ALMA im Jahr 2014 Lücken in protoplanetaren Scheiben nachgewiesen.

Und mit diesem größten Radioteleskop der Welt – dem aus 66 Antennen bestehenden Atacama Large Millimeter Array in den chilenischen Anden – haben Astronomen um die Humboldt-Stipendiatin Laura Pérez vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie den rund 450 Lichtjahre von der Erde entfernten jungen Stern Elias 2-27 im Sternbild Schlangenträger (Ophiuchus) unter die Lupe genommen. Dabei entdeckte das Team die erwähnten Spiralstrukturen – ohne die Planeten möglicherweise gar nicht erst entstehen könnten.

Der Grund hierfür liegt im Prozess der Geburt: Innerhalb einer Materiescheibe kollidieren die Staubteilchen und haften aneinander. Im Lauf der Zeit entstehen auf diese Weise immer größere Objekte. Problematisch wird es, sobald die Objekte größer als einige Meter werden. Dann erfahren sie auf ihrer Bahn um den Stern so viel Reibung durch das sie umgebende Gas, dass sie auf Zeitskalen von 1000 Jahren oder weniger nach innen wandern und in den Zentralstern fallen.

Damit ist der Geburtsvorgang unterbrochen, denn es erfordert viel mehr Zeit, um durch aufeinanderfolgende Stöße bis zur Größe von Planeten anzuwachsen und bei solcher Größe dann gegen die Gasreibung vergleichsweise unempfindlich zu sein. Wie also können sich überhaupt größere Objekte bilden? Es gibt verschiedene Lösungsansätze für Mechanismen, die den urtümlichen Felsbrocken helfen können, zuzulegen und schließlich die Größe zu erreichen, bei der sie sich mithilfe der Schwerkraft zu ausgewachsenen Planeten zusammenfügen.

In Regionen erhöhter Dichte, wie sie entlang der jetzt beobachteten Dichtewellen auftreten, könnte die Planetenentstehung ungleich rascher fortschreiten, sowohl aufgrund der erhöhten Anziehungskraft in dem betreffenden Gebiet als auch wegen der höheren Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen.

„Die Struktur, die wir bei Elias 2-27 beobachtet haben, ist der erste direkte Hinweis auf spiralförmige Dichtewellen in einer protoplanetaren Scheibe“, sagt Laura Pérez. „Sie zeigt, dass sich innerhalb der Scheibe Instabilitäten bilden können, die zu Teilgebieten deutlich größerer Dichte führen und so zur Bildung weiterer Planeten.“ Solche Instabilitäten treten nicht nur auf den Größenskalen der Planetenentstehung auf: Das wohl bekannteste Beispiel sind Dichtewellen in Spiralgalaxien, die für die markanten Spiralarme solcher Galaxien ursächlich sind.

Umgekehrt können Planeten, die bereits in der Scheibe entstanden sind, spiralförmige Dichtewellen auslösen, während sie den Zentralstern umlaufen. Diese zwei Rollen auseinanderzuhalten – Spiralarme einerseits als Auslöser für die Planetenentstehung oder andererseits selbst durch junge Planeten erzeugt – verlangt nach einem tieferen Verständnis, zu dem Beobachtungen wie das jetzt veröffentlichte ALMA-Bild beitragen sollen.

„Nachdem wir über Jahre nur die integrierte Wärmestrahlung von Scheiben um junge Sterne messen konnten, sehen wir sie jetzt in ihrer ganzen Schönheit und Vielfalt, inzwischen auch mit einer Spiralstruktur. Dies hilft uns, die Entstehung von Planeten besser zu verstehen“, sagt Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, der ebenfalls an den neuesten Beobachtungen beteiligt war.

„In den vergangenen Jahrzehnten haben Astronomen eine beachtliche Vielfalt an Exoplaneten gefunden. Erklären können wir diese Vielfalt nur, wenn wir die frühen Phasen der Planetenentstehung verstehen – und dazu leisten die beeindruckend detaillierten ALMA-Bilder einen wichtigen Beitrag“, sagt Hendrik Linz, ebenfalls Wissenschaftler am Heidelberger Max-Planck-Institut.

Die beiden weit ausladenden Spiralarme um Elias 2-27 erstrecken sich bis in eine Entfernung von mehr als zehn Milliarden Kilometern von dem jungen Stern – weiter ins All hinaus als der Kuipergürtel in unserem Sonnensystem. „Das Vorhandensein von spiralartigen Dichtewellen bei derart extremen Entfernungen vom Stern könnte die Existenz von Exoplaneten erklären, die ihre Zentralsterne in ähnlich großer Entfernung umkreisen“, sagt Pérez. Nach den herkömmlichen Modellen sollten derartige Planeten gar nicht vor Ort entstehen können.

Der junge Stern Elias 2-27 ist Teil einer weit größeren Sternentstehungsregion mit der Bezeichnung Rho Ophiuchi im Sternbild Schlangenträger. Elias 2-27 hat sich erst vor rund einer Million Jahren gebildet – ein kurzer Zeitraum im Vergleich zum Alter unserer Sonne von rund 4,6 Milliarden Jahren. Von diesem Stern war bereits bekannt, dass er von einer Scheibe umgeben ist; nach den bisherigen Beobachtungen mit einem Auflösungsvermögen zwischen 0,6 und 1,1 Bogensekunden hätte es sich allerdings ebenso gut um eine strukturlose, zylindersymmetrische Scheibe handeln können.

Die neuen ALMA-Beobachtungen mit Auflösungsvermögen von nur 0,24 Bogensekunden zeigen Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern. Diese geht auf das Vorhandensein von Staubpartikeln zurück, die zwischen einem und zehn Prozent der Gesamtmasse der Scheibe beitragen. Mittels der Strahlung konnten die Astronomen das erwähnte Spiralmuster ab einem Abstand von rund 100 Astronomischen Einheiten (also dem 100-fachen mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne) zum Zentralstern bis hinaus in eine Entfernung von 300 Astronomischen Einheiten verfolgen.

Wie oben erwähnt, könnte die Spiralstruktur von einem Planeten herrühren, der in der Scheibe bereits existiert. In der Tat hat ALMA ein schmales Band mit deutlich weniger Staub entdeckt. Dieses ist allerdings nicht groß genug, um einen Planeten zu beherbergen, der wiederum groß genug wäre, das beobachtete Spiralmuster zu erzeugen.

Andererseits vermag auch die Gravitation der Scheibe selbst Instabilitäten hervorzurufen, die ein solches Spiralmuster erzeugen können. Angesichts der Gesamtmasse der Scheibe sowie der Form und Symmetrie des Spiralmusters wird auch diese Möglichkeit von den Autoren für durchaus wahrscheinlich gehalten.

„ALMA-Beobachtungen dieser Art werden zunehmend häufiger und sollten uns mehr und mehr Bilder von inhomogenen Substrukturen in protoplanetaren Scheiben liefern“, sagt Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastrononomie und Ko-Autor des Artikels in der Zeitschrift Science. „Damit sollten wir zunehmend in der Lage sein, die Eigenschaften solcher Strukturen genauer zu beschreiben und ihre Rolle für die Planetenentstehung aufzuklären.“

NJ / MP / HOR