Galerie junger Trümmerscheiben um ferne Sterne

Sphere‘s Bilder von Staub in der Umgebung ferner Sterne liefern Informationen zu Asteroiden und Kometen in anderen Sonnensystemen

Auf den Punkt gebracht

• Spuren von Kometen und Asteroiden in fernen Sonnensystemen: In jungen Planetensystemen entstehen durch gegenseitige Kollisionen zwischen Asteroiden oder Kometen große Mengen an Staub, die eine Trümmerscheibe bilden. Diese Scheibe liefert Informationen über die Kleinkörper des betreffenden Systems, also Asteroiden und Kometen.
• Schwierige Beobachtungen: Bildern von Trümmerscheiben aufzunehmen ist eine gehörige Herausforderung. Der Stern im Zentrum überstrahlt seine gesamte Umgebung. Das Sphere-Instrument am Very Large Telescope wurde genau für diese Aufgabe designed und kann solche Bilder liefern.
• Bekannte Strukturen: Einige der mit Sphere abgebildeten Scheiben weisen Strukturen auf, die an das Sonnensystem erinnern. Der Staub zeigt dort das Vorhandensein eines Asteroidengürtels innerhalb der Umlaufbahnen der Riesenplaneten sowie eines Kuipergürtels von Kometen außerhalb.

Es ist eine regelrechte Galerie sogenannter Trümmerscheiben um junge Sterne jenseits unseres Sonnensystems: 51 schwierig zu beobachtende Objekte, von denen das Sphere-Instrument am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, ESO, detailreiche Bilder eingefangen hat. „Dieser Datensatz ist ein astronomischer Schatz. Er bietet außergewöhnliche Einblicke in die Eigenschaften von Trümmerscheiben und ermöglicht Rückschlüsse auf kleinere Körper wie Asteroiden und Kometen in diesen Systemen, die auf direktem Wege nicht zu beobachten sind”, sagt Gaël Chauvin vom Max-Planck-Institut für Astronomie ist Projektwissenschaftler des Sphere-Instruments und Koautor der Studie.

Mit Trümmerscheiben beobachten Astronominnen und Astronomen eine entwickelte Form junger Sonnensysteme: Zunächst kollabiert eine umherwirbelnde Molekülwolke unter ihrer eigenen Schwerkraft. Im Zentrum steigt die Gasdichte so stark an, dass dort irgendwann die Kernfusion einsetzt und ein junger Stern sein erstes Licht abstrahlt. Um solche jungen heranreifenden Protosterne sammelt sich Gas und Staub in einer sogenannten protoplanetaren Scheibe, das prognostizieren Computermodelle und bestätigen direkte Beobachtungen mit den Teleskopen Alma oder dem Very Large Telescope. Über die Lichteigenschaften solcher Scheiben, die um viele junge Sterne fotografiert wurden, lässt sich auch das Entwicklungsstadium der Scheibe bestimmen. Denn, so die Vorstellung, der Staub der Scheibe klumpt allmählich zu immer größeren Körpern heran: Aus einer Staub- und Gas-Scheibe wird eine Scheibe aus Trümmern und diese Trümmer sind wiederum die Bausteine von Planeten. Dabei unterscheidet sich die Art, wie der ursprüngliche Staub der Molekülwolke oder weiter entwickelte, verklumpte und wieder aufgebrochene Formen des Staubs Licht streuen oder selbst aussenden.   

Auch heute gibt es in unserem eigenen Sonnensystem neben der Sonne, den Planeten und Zwergplaneten wie Pluto eine Vielzahl sogenannter Kleinkörper. Besonders interessant sind solche mit Durchmessern zwischen rund einem und mehreren hunderten Kilometern. Solche Objekte heißen Kometen, wenn sie (zumindest gelegentlich) Gas und Staub verlieren und dadurch charakteristische sichtbare Strukturen wie einen Schweif bilden, und Asteroiden, wenn sie dies nicht tun. Kleinkörper, die noch heute um die Sonne kreisen, sind ein historisches Archiv, sie geben Einblicke in die früheste Geschichte des Sonnensystems: Auch die vollwertigen Planeten des Sonnensystems entwickelten sich aus Staubkörnern und die Asteroiden und Kometen sind Überreste dieser Entwicklung: Planetesimale, die es nicht geschafft haben, sich zu größeren Planeten zu entwickeln. 

Kleinkörper in fernen Planetensystemen

Aktuell kennt die Astronomie mehr als 6000 Exoplaneten, also Planeten, die andere Sterne umkreisen als die Sonne. Das sind aber nur die Planeten, die sich auf direkte oder indirekte Weise beobachten lassen. Statistisch erwarten Forschende etwas mehr als 1,5 Planeten um jeden Stern der Milchstraße. Solche Exoplaneten direkt abzubilden, ist besonders schwer. Derzeit gibt es Abbildungen von weniger als 100 Exoplaneten, und selbst große Planeten erscheinen auf jenen Bildern als strukturlose, kleine Flecken. „Es scheint schlichtweg unmöglich, anhand von Bildern direkte Hinweise auf Kleinkörper in einem fernen Planetensystem zu finden. Und auch die indirekten Methoden zum Nachweis von Exoplaneten sind keine Hilfe“, sagt Julien Milli, Astronom an der Universität Grenoble Alpes und Mitautor der Studie.

Aber es gibt einen Trick, den sich die Forschenden zur Nutze machen: Insbesondere in jüngeren Planetensystemen kollidieren Planetesimale regelmäßig miteinander. Manchmal schließen sie sich dabei zu einem größeren Körper zusammen, manchmal fliegen sie ihrer getrennten Wege. Bei den Kollisionen entstehe große Mengen an neuem Staub, und dieser Staub kann mit geeigneten Instrumenten auch über große Entfernungen hinweg beobachtet werden: Zerlegt man ein Objekt in kleinere Bestandteile, bleibt das Gesamtvolumen gleich, aber die Gesamtoberfläche nimmt zu. Teilt man einen Asteroiden mit einem Durchmesser von einem Kilometer in Staubkörner mit einem Durchmesser von je einem Mikrometer (= Millionstel Meter), vergrößert sich die Gesamtoberfläche um das Milliardenfache. Das ist ein wesentlicher Grund, warum es möglich ist, Trümmerscheiben um junge Sterne anhand des von ihnen reflektierten Sternenlichts zu beobachten. Aus den Staub-Beobachtungen lassen sich dann wiederum Rückschlüsse auf die Kleinkörper des Planetensystems ziehen.

Trümmerscheiben durchs Teleskop

Mit der Zeit wird so eine Trümmerscheibe immer unscheinbarer: Immer mehr Staub wird durch Strahlungsdruck aus dem System geblasen, von Planetesimalen oder Planeten eingefangen oder trudelt in den Zentralstern. Unser eigenes Sonnensystem liefert ein Beispiel dafür, was nach Milliarden von Jahren übrig bleibt: In diesem Fall im Wesentlichen zwei Planetesimalengürtel, nämlich den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und ein Reservoir von Kometen außerhalb der Umlaufbahnen der Riesenplaneten, das Kuipergürtel heißt. Dazu kommt noch etwas Staub in der Bahnebene des Sonnensystems. Bei sehr dunklem Himmel kann man kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang mit bloßem Auge das von diesem Staub reflektierte Licht sehen, das sogenannte Zodiakallicht.

Von einem außerirdischen Observatorium aus wären all diese Details in einem entwickelten Sonnensystem wie dem unseren schwer bis gar nicht zu erkennen. Während der ersten 50 Millionen Jahre in der Geschichte eines Planetensystems ist die Lage dagegen ungleich günstiger. Sind solche jüngeren Systeme nicht allzu weit entfernt, so zeigt die jetzt veröffentlichte Studie, dann sind sie mit den besten heute verfügbaren Teleskopen beobachtbar. Was nicht heißt, dass die technischen Herausforderungen dieser Art von Beobachtung nicht enorm wären: Ein Bild einer Trümmerscheibe anzufertigen ist so, als würde man versuchen, aus mehreren Kilometern Abstand ein kleines Wölkchen von Zigarettenrauch zu fotografieren, das direkt neben einem hellen Stadionflutlicht schwebt. So etwas ist nur mit spezialisierten Instrumenten möglich, und die erste Wahl dafür ist das Sphere-Instrument, das im Frühjahr 2014 an einem der Very Large Telescopes der ESO in Betrieb genommen wurde.

Blendendes Sternenlicht vermeiden

Das Grundprinzip von Sphere ist folgendes: Blendet uns im Alltag die Sonne, halten wir unsere Hand vor die Augen. So können wir Objekte sehen, die andernfalls vom Sonnenlicht überstrahlt werden würden. Sphere nutzt einen Koronographen, um auf ähnliche Weise mittels einer Blende das viel hellere Licht des Sterns zu blocken. Nur so ist das schwächere Licht eines Exoplaneten oder einer Trümmerscheibe um diesen Stern erkennbar. Das funktioniert aber nur bei stabiler und präziser Bildgebung.

Um das zu gewährleisten, nutzt Sphere die adaptive Optik. Dabei werden die unvermeidbaren Störungen, die durch das Durchdringen des Lichts durch die warme, turbulente Erdatmosphäre verursacht werden, in Echtzeit analysiert und mittels eines verformbaren Spiegels kompensiert. Sphere ist auch in der Lage, „polarisiertes” Licht herauszufiltern. Das ist interessant, da nur von Staubpartikeln reflektiertes Licht polarisiert ist, Sternenlicht selbst aber nicht. Diese Beobachtungstechniken machen Sphere besonders gut geeignet dafür, Bilder von Trümmerscheiben zu liefern.

Die Trümmerscheiben-Galerie von Sphere

Der jetzt erschienene Fachartikel präsentiert eine ganze Galerie von Bildern Trümmerscheiben, die mit Sphere aus dem von kleinen Staubpartikeln jener Scheiben reflektierten Sternenlicht erstellt wurden. „Um diese Sammlung zu erhalten, haben wir Daten aus Beobachtungen von 161 nahen, jungen Sternen verarbeitet, deren Infrarotemissionen ein starkes Indiz für das Vorhandensein einer Trümmerscheibe sind“, sagt Natalia Engler von der ETH Zürich, die Erstautorin der Studie. „In 51 Fällen konnten wir ein Bild der Scheiben erstellen. Die Bilder zeigen Trümmerscheiben mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften – einige kleiner, andere größer, einige von der Seite gesehen und andere fast frontal – und einer beträchtlichen Vielfalt an Ringstrukturen. Vier der Scheiben waren noch nie zuvor abgebildet worden.“

Will man die Eigenschaften einer Klasse von Objekten erforschen, muss man eine Stichprobe mit hinreichend vielen Beispielobjekten untersuchen. Die Bilder der 51 Trümmerscheiben ermöglichen diese Art von Analyse, und offenbaren eine Reihe systematischer Trends: Wenn ein junger Stern massereicher ist, hat auch seine Trümmerscheibe tendenziell mehr Masse. Dasselbe gilt für Trümmerscheiben, bei denen sich der Großteil des Materials in größerer Entfernung vom Zentralstern befindet.

Asteroidengürtel und Kuipergürtel in Exoplanetensystemen

Am interessantesten an den Sphere-Trümmerscheiben dürften die Strukturen innerhalb der Scheiben sein. Auf einer Reihe von Bildern sind Scheiben zu sehen, die eine konzentrische ring- oder bandartige Struktur aufweisen: das Scheibenmaterial ist in bestimmten Abstandsbereichen vom Zentralstern konzentriert, andere Abstandsbereiche sind weitgehend leer. Die Verteilung kleiner Körper in unserem eigenen Sonnensystem weist eine ähnliche Struktur auf: Die Kleinkörper befinden sich bevorzugt im Asteroidengürtel und im Kuipergürtel (Kometen).

Die Ringstrukturen dürften mit der Anwesenheit von Planeten, insbesondere von Riesenplaneten, zu tun haben, die ihre Umgebung von Kleinkörpern gewissermaßen freifegen. Einige solcher Riesenplaneten waren bereits beobachtet worden. In anderen Fällen weisen Merkmale wie scharfe Innenkanten von Ringen oder Scheibenasymmetrien auf noch nicht beobachtete Planeten hin. Damit liefert die Sphere-Scheibengalerie gleichzeitig eine Liste lohnender möglicher Beobachtungsziele: Das James-Webb-Weltraumteleskop oder das Extremely Large Telescope, ELT, das derzeit in Chile von der ESO konstruiert wird, sollten in nicht allzu ferner Zukunft Bilder von den Planeten liefern können, die jene Strukturen erzeugen.

MPIA/MP, MPG/BEU

Hintergrundinformationen

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Gaël Chauvin, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland und Markus Feldt in Zusammenarbeit mit Natalia Engler (ETH Zürich), Julien Milli (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes), Nicole Pawellek (Universität Wien), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes) und anderen.