Jung und turbulent: Wie neue Planetensysteme entstehen

Alma-Teleskopnetzwerk in Chile liefert hochaufgelöste Einblicke in die dynamische und komplexe Entstehungsphase ferner Planetensysteme

Auf den Punkt gebracht

• Hohe Auflösung: Astronominnen und Astronomen haben detaillierte und hochaufgelöste Bilder von jungen Planetensystemen aufgenommen, die deren Wachstumsstadien und Komplexität zeigen.
• Trümmerringe um junge Sterne: Die Alma-Studie liefert Einblicke in Trümmerringe, die die Entstehungsphase von Planeten darstellen, vergleichbar mit den Teenagerjahren von Planetensystemen.
• Bezug zum Sonnensystem: Die Ergebnisse verdeutlichen chaotische Phasen in der Planetenentwicklung und tragen zum Verständnis der Entstehung unseres Sonnensystems bei.

Astronominnen und Astronomen haben zum ersten Mal einen detaillierten Schnappschuss von Planetensystemen in einer Ära aufgenommen, die lange Zeit im Dunkeln lag. Mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Alma, haben sie die schärfsten Bilder aller Zeiten von 24 Trümmerringen aufgenommen, den staubigen Gürteln, die nach der Entstehung von Planeten zurückbleiben. Diese Scheiben sind das kosmische Äquivalent zu den Teenagerjahren von Planetensystemen – etwas reifer als neu entstandene, planetenbildende Scheiben, aber noch nicht ganz erwachsen.

Eine fehlende Seite in den Familienalben von Planeten

„Wir haben oft die Babyfotos von Planeten gesehen, die sich gerade bilden, aber bis jetzt fehlte die Jugendphase“, sagt Meredith Hughes, Associate Professor für Astronomie an der Wesleyan University in Middletown, Connecticut, USA, und ein beteiligte Wissenschaftlerin dieser Studie.

„Trümmerringe stehen für die von Kollisionen geprägte Phase des Planetenentstehungsprozesses“, erklärt Thomas Henning, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie, der ebenfalls an der Studie beteiligt ist. „Mit Alma können wir die Ringstrukturen sichtbar machen, die auf die Anwesenheit von Planeten hinweisen. Parallel dazu suchen wir mit Hilfe direkter Bildgebung und Radialgeschwindigkeitsstudien nach jungen Planeten in diesen Systemen.“

Das Pendant zu dieser Phase in unserem eigenen Sonnensystem ist der Kuipergürtel, ein Ring aus eisigen Bruchstücken jenseits von Neptun, der Hinweise gewaltiger Kollisionen und Planetenwanderungen vor Milliarden von Jahren liefert. Durch die Untersuchung von 24 Exoplaneten-Trümmergürteln hat das Team einen Einblick in die Vorgänge in unserem Sonnensystem gewonnen, als sich der Mond bildete und die Planeten um ihre endgültigen Positionen rangen und manchmal sogar ihre Umlaufbahnen tauschten!

Teenager-Scheiben sind schwer abzubilden

Trümmerringe sind lichtschwach, hunderte oder sogar tausende Male dunkler als die hellen, gasreichen Scheiben, in denen Planeten entstehen. Das macht es so herausfordernd, solche Scheiben überhaupt abzulichten. Mit dem hochempfindlichen Teleskopnetzwerk Alma konnten Astronominnen und Astronomen nun komplexe Trümmerscheiben nicht nur erkennen wie es das Instrument Sphere am Very Large Telescope bereits getan hat, sondern diese auch höher auflösen, als es bisher möglich war. Erkennbar wurden so ein Gürtel mit mehreren Ringen, breite und glatte Halos, scharfe Kanten und sogar unerwartete Bögen und Klumpen.

Allerdings macht Alma mit seinen Dutzenden von einzelnen Radioteleskopen keine Bilder im klassischen Sinne. Stattdessen sammelt es Radiosignale, die von Staubpartikeln und Molekülen ausgesendet werden und anschließend verarbeitet und korreliert werden müssen. Jedes Teleskop trägt zum endgültigen Bild bei, das aus dem Strom der Radiowellen zusammengefügt, genauer: korreliert wird. Das komplizierte Bildgebungsverfahren nennt sich auch Interferometrie. Der Vorteil: Der Umfang des Netzwerks ist deutlich größer als der eines Einzelteleskops und erlaubt damit eine umso höhere räumliche Auflösung. Das ist notwendig, um die Strukturen in den Scheiben abzubilden. Dass das Netzwerk die Scheiben überhaupt sehen kann, entscheidet die Lichtsammelfläche der Einzelteleskope sowie die Zahl der Antennen im Netzwerk. Mit über 50 Antennen von je zwölf Metern Durchmesser und zwölf Antennen mit sieben Metern Durchmesser erreichen die Forschenden mit Alma die dafür nötige sogenannte Sensivität.  

„Wir sehen eine echte Vielfalt – nicht nur einfache Ringe, sondern mehrringige Gürtel, Halos und starke Asymmetrien, die ein dynamisches und turbulentes Kapitel in der Geschichte der Planeten offenbaren“, fügt Sebastián Marino hinzu, Programmleiter des Projekts und außerordentlicher Professor an der Universität Exeter, Großbritannien.

Schlussfolgerungen: Unser Sonnensystem war einst eine wilde Fahrt

Die Ergebnisse zeigen, dass diese Teenagerphase eine Zeit des Übergangs und der Turbulenzen ist. „Diese Scheiben dokumentieren eine Zeit, in der die Planetenbahnen durcheinandergeraten waren und gewaltige Einschläge, wie derjenige, der den Mond der Erde geformt hat, junge Sonnensysteme geprägt haben“, sagt Luca Matrà, Wissenschaftler Studie und außerordentlicher Professor am Trinity College Dublin, Irland. Durch die Untersuchung Dutzender Scheiben um Sterne unterschiedlichen Alters und Typs trugen die Ergebnisse dazu bei, zu entschlüsseln, ob chaotische Merkmale vererbt, von Planeten geformt oder durch andere kosmische Kräfte entstanden sind. Die Beantwortung dieser Fragen könnte Aufschluss darüber geben, ob die Geschichte unseres Sonnensystems einzigartig oder die Norm war.

Ausblick: Auf der Suche nach planetenbildenden Kräften

Die Ergebnisse der Studie sind eine Fundgrube für Astronominnen und Astronomen, die nach jungen Planeten suchen und verstehen wollen, wie Planetenfamilien wie unsere eigene entstehen und sich neu ordnen. „Dieses Projekt gibt uns eine neue Perspektive für die Interpretation der Krater auf dem Mond, der Dynamik des Kuipergürtels und des Wachstums großer und kleiner Planeten. Es ist, als würde man die fehlenden Seiten im Familienalbum des Sonnensystems hinzufügen“, fügt Meredith Hughes hinzu.

MN für das MPIA / BEU für die MPG

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Hintergrundinformationen

Highlights und Premieren des Projekts „ALMA survey to Resolve exoKuiper belt Substructures (ARKS)“:

• Ein neuer Maßstab: ARKS ist die größte und detailreichste Untersuchung von Trümmerringen, vergleichbar mit einem „DSHARP für Trümmerringe“, und setzt damit einen neuen Goldstandard.
• Eine dynamische, turbulente Jugend: Etwa ein Drittel der beobachteten Ringe weist klare Unterstrukturen auf (mehrere Ringe oder deutliche Lücken), was auf Merkmale hindeutet, die aus früheren Phasen der Planetenentstehung stammen oder von Planeten über einen viel längeren Zeitraum geformt wurden.
• Unerwartete Vielfalt: Während einige Scheiben komplexe Strukturen aus früheren Jahren beibehalten, erscheinen andere ruhiger und dehnen sich zu breiten Gürteln aus, ähnlich wie wir es von der Entwicklung des Sonnensystems erwarten.
• Hinweise auf planetarische Umwälzungen: Viele Scheiben weisen Anzeichen für Zonen der Ruhe und des Chaos auf, mit vertikal „aufgeblähten” Regionen, ähnlich wie in unserem Sonnensystem, wo sich ruhige klassische Kuipergürtel-Objekte und solche, die durch die einstige Wanderung des Neptun verstreut wurden, vermischen.
• Überraschende Gasreste: Mehrere Scheiben behalten Gas viel länger als erwartet. In einigen Systemen kann verbleibendes Gas die Chemie der wachsenden Planeten beeinflussen oder sogar Staub in ausgedehnte Halos hinaustreiben.
• Asymmetrien und Bögen: Viele Scheiben sind ungleichmäßig, mit hellen Bögen oder exzentrischen Formen, was auf gravitative Einflüsse von unbekannten Planeten, Überreste von früheren Phasen während der Planetenwanderung oder Wechselwirkungen zwischen Gas und Staub hindeutet.
• Bereitstellung öffentlicher Daten: Alle ARKS-Beobachtungen und verarbeiteten Daten werden der astronomischen Forschung weltweit frei zur Verfügung gestellt, um weitere Entdeckungen zu ermöglichen.

Die ARKS-Studie ist das Ergebnis der Arbeit eines internationalen Teams von etwa 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter der Leitung der University of Exeter (Großbritannien), des Trinity College Dublin (Irland) und der Wesleyan University (Middletown, Connecticut, USA). Weitere Informationen finden Sie unter https://arkslp.org/.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die von der Europäischen Südsternwarte (ESO), der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) Japans in Zusammenarbeit mit der Republik Chile betrieben wird. 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 and Technology Council (NSTC) in Taiwan sowie von den NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert.

Der Bau und Betrieb von ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das von Associated Universities, Inc. (AUI) verwaltet wird, im Namen Nordamerikas und vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) im Namen Ostasiens geleitet. Das Joint ALMA Observatory (JAO) übernimmt die einheitliche Leitung und Verwaltung des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von ALMA.

Diese Pressemitteilung wurde weitgehend aus dem Originalartikel des NRAO übernommen.

Bei der Übersetzung des englischen Originals wurde in einem Zwischenschritt das Sprachmodell DeepL eingesetzt.