Planetenbildung auch um "misslungene Sterne"

Internationales Astronomenteam weist nach, dass sich erste Schritte zur Bildung von Planeten auch bei Braunen Zwergen vollziehen

21. Oktober 2005

Mit dem Weltraumteleskop SPITZER der NASA hat ein Gruppe von Astronomen aus deutschen, amerikanischen und italienischen Forschungsinstituten entdeckt, dass die Planetenbildung zumindest im Ansatz auch in der Umgebung von Braunen Zwergen, also "misslungenen Sternen" abläuft. Damit erweist sich der Prozess der Planetenbildung als universeller und robuster als bisher vermutet (Science Express, 20. Oktober 2005).

Das Diagramm zeigt mit dem Weltraumteleskop Spitzer aufgenommene Infrarotspektren der zirkumstellaren Staubscheiben von vier Braunen Zwergsternen im Sternbild Chamaeleon (die mittleren vier Kurven). Zum Vergleich zeigt die oberste Kurve das typische von interstellarem Staub emittierte Infrarotspektrum (oben) und das von den Staubteilchen im Kometen Hale-Bopp (unten), die an den Wachstums- und Kristallisationsprozessen der zirkumstellaren Staubscheibe um die junge Sonne teilgenommen haben. Die Kurven sind nach der Form der Spektren angeordnet und zeigen, dass die kleinsten Teilchen im interstellaren Raum vorkommen, die größten im Kometen. In den zirkumstellaren Scheiben der Braunen Zwerge kommen unterschiedliche Stadien des Wachstums und der Kristallisation vor.

Braune Zwerge entstehen wie ihre massereicheren Geschwister, die normalen Sterne, durch den Kollaps interstellarer Gas- und Staubwolken. Bei einem solcher Kollaps bildet sich eine zentrale Verdichtung, eingebettet in eine rotierende Scheibe aus Gas und Staub. Solche zirkumstellaren Scheiben strahlen entsprechend ihrer Temperatur im infraroten Spektralbereich. Mit dem Weltraumteleskop SPITZER wurden sie in der Umgebung zahlreicher junger Brauner Zwerge entdeckt.

Der Kollaps der Gas- und Staubwolken endet, wenn der Anstieg von Druck, Temperatur und Dichte in der zentralen Verdichtung zum Einsetzen des Wasserstoffbrennens (Kernfusion) führt - damit wird die zentrale Verdichtung zu einem eigentlichen Stern. Reicht jedoch ihre Masse nicht aus, um die für Kernfusion erforderlichen Bedingungen herbeizuführen, so entsteht ein Brauner Zwerg: Er wird sich keine weiteren Energiequellen mehr erschließen können und bloß die durch den Kollaps erzeugte Kompressionswärme langsam abstrahlen.

Das Astronomenteam hat sechs junge Braune Zwerge aus dem 520 Lichtjahre entfernten Sternentstehungsgebiet im südlichen Sternbild Chamaeleon untersucht. Die Objekte sind zwischen einer und drei Millionen Jahre alt, ihre Massen betragen zwischen dem 40- und dem 70fachen der Jupitermasse. Mit SPITZER nahmen die Forscher detaillierte Spektren im infraroten Licht auf, aus denen sich Informationen über die Größen der strahlenden Teilchen und deren mineralogische Zusammensetzung ableiten lassen.

Die Analyse der Daten ergab in fünf der sechs untersuchten Fälle, dass in den zirkumstellaren Scheiben dieser "misslungenen Sterne" die Staubteilchen aneinander haften und bereits größere Klumpen aus Olivin, einem siliziumhaltigen Mineral, und kristalline Strukturen bilden. Solche Gebilde sind aus Untersuchungen der Scheiben junger normaler Sterne bekannt und finden sich auch in Kometen - den Überresten aus der Bildungsphase unseres eigenen Planetensystems. Offenbar laufen also in den zirkumstellaren Scheiben der jungen Braunen Zwerge die selben Wachstums- und Kristallisationsprozesse ab, die bei normalen Sternen (einschließlich unserer Sonne) am Anfang der Planetenbildung stehen.

Weiterhin fanden sich Hinweise auf ein Abflachen der zirkumstellaren Scheiben, das beim Einsetzen der Wachstumsprozesse in der Staubkomponente auch zu erwarten ist. "Mit SPITZER können wir die Planetenbildung unter ganz unterschiedlichen Bedingungen untersuchen. Unsere Beobachtungen zeigen, dass die ersten Schritte der Planetenbildung in geringerem Maße von den Details abhängen als bisher vermutet", sagte Daniel Apai, der gegenwärtig am Steward-Observatorium in Tucson forscht und Mitglied des NASA Astrobiology Institute's Life and Planets Astrobiology Center ist. Und Kees Dullemond vom Max-Planck-Institut für Astronomie betont: "Dieses Ergebnis ist auch deshalb so wichtig, weil es die Theorien über Planetenbildung einschränkt und uns damit tiefere Einblicke in diesen Prozess ermöglicht".

Diese Beobachtungsergebnisse zeigen, das es sich bei zukünftigen Missionen zur Suche nach extrasolaren Planeten, wie die Mission DARWIN der ESA und der Terrestrial Planet Finder (TPF) der NASA, lohnen könnte, auch die Umgebung Brauner Zwerge nach Planeten zu untersuchen.

Solche Spektren erhält man, wenn man das vom Teleskop gesammelte Licht nach seinen Wellenlängen zerlegt, ähnlich wie ein Wassertropfen oder ein Prisma das Sonnenlicht in seine Regenbogenfarben auflöst. Die breiten, bei unterschiedlichen Wellenlängen auftretenden "Buckel" sind die "Fingerabdrücke", aus denen chemische Merkmale (silikathaltig, etc.), die Größe und der Aggregatzustand (amorph bis kristallin) der Staubteilchen abgelesen werden können.

In der Abbildung markieren die hellgrünen vertikalen Streifen die Lage der "Fingerabdrücke" von Kristallen, die primär aus dem auf der Erde vorkommenden, grünen, silikathaltigen Mineral Olivin bestehen. Offenbar enthalten die Spektren von dreien der vier Braunen Zwerge Anteile solcher Art. Im interstellaren Staub sind sie nicht erkennbar, am stärksten sind sie im Spektrum des Kometen Hale-Bopp ausgeprägt. Je größer die Staubteilchen, desto breiter sind die "Buckel" in ihrem Emissionsspektrum.

An diesem Projekt waren beteiligt: Drs. Daniel Apai and Ilaria Pascucci (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson), Drs. Jeroen Bouwman, Thomas Henning und Cornelis P. Dullemond (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg) sowie Dr. Antonella Natta (Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florenz).

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