Astronomen stimmen darin überein, dass Planeten in protoplanetarischen Scheiben entstehen – das sind Ringe aus Staub und Gas, die junge, neugeborene Sterne umgeben. Obwohl im Universum Hunderte dieser Scheiben entdeckt wurden, haben sich Beobachtungen der tatsächlichen Geburt und Entwicklung eines Planeten in diesen Umgebungen als schwierig erwiesen.
Jetzt haben Astronomen vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) eine neue Möglichkeit entwickelt, um diese schwer nachweisbaren, neugeborenen Planeten zu registrieren und damit den entscheidenden Beleg für einen kleinen neptun- oder saturnähnlichen Planeten in einer Scheibe geliefert. Die Ergebnisse wurden am 14. September 2022 in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
“Der direkte Nachweis junger Planeten ist sehr anspruchsvoll und war bisher nur in ein oder zwei Fällen erfolgreich”, sagte Feng Long, eine Postdoktorandin am CfA, die die neue Studie leitete. “Die Planeten sind immer zu schwach, um von uns entdeckt zu werden, weil sie in dichte Schichten aus Gas und Staub eingebettet sind.”
Wissenschaftler müssen daher nach Hinweisen suchen, um daraus abzuleiten, dass sich hinter dem Staub ein Planet entwickelt.
“In den letzten paar Jahren haben wir viele Strukturen in Scheiben auftauchen sehen, von denen wir annehmen, dass sie durch die Präsenz eines Planeten verursacht werden, aber sie könnten auch durch etwas anderes entstehen”, sagte Long. “Wir brauchen neue Techniken, um zu sehen und zu bestätigen, dass es dort einen Planeten gibt.”
Für ihre Studie entschied Long sich dafür, eine protoplanetarische Scheibe namens LkCa 15 nochmals zu untersuchen. Sie liegt rund 518 Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Taurus (Stier). Wissenschaftler berichteten bereits zuvor über Hinweise auf Planetenbildung in der Scheibe, die sie auf Beobachtungen mit dem ALMA Observatory stützten.
Long sichtete die neuen hochauflösenden ALMA-Daten von LkCa 15, die hauptsächlich im Jahr 2019 gemacht wurden, und entdeckte zwei schwache Strukturen, die vorher nicht registriert wurden. Rund 42 Astronomische Einheiten von dem Stern entfernt (das entspricht der 42-fachen Entfernung der Erde von der Sonne) entdeckte Long einen Staubring mit zwei separaten und hellen Materiestrukturen darin. Die Strukturen haben die Gestalt einer kleinen Verklumpung und eines größeren Bogens, und waren um einen Winkel von 120 Grad voneinander getrennt.
Long untersuchte das Szenario mit Computermodellen, um herauszufinden, was die Ansammlung des Materials verursacht und stellte fest, dass die Größen und Positionen mit dem Modell für die Präsenz eines Planeten übereinstimmten. “Dieser Bogen und die Verklumpung sind um 120 Grad voneinander getrennt”, sagte sie. “Dieser Winkel ist nicht zufällig, er ist mathematisch wichtig.”
Long weist auf Positionen im Weltraum hin, die als Lagrange-Punkte bekannt sind. Dort erzeugen zwei bewegte Himmelskörper (etwa ein Stern und ein umkreisender Planet) Regionen, in denen sich Materie anhäufen kann. “Wir sehen, dass dieses Material nicht einfach frei herumschwebt, sondern dass es stabil ist und sich basierend auf der Physik und der beteiligten Objekte verhält”, sagte Long.
In diesem Fall befinden sich der von Long entdeckte Bogen und die Materieverklumpung an den Lagrange-Punkten L4 und L5. Etwa 60 Grad versteckt zwischen ihnen liegt ein kleiner Planet, der die Staubansammlungen in L4 und L5 verursacht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Planet ungefähr die Größe von Neptun oder Saturn besitzt und circa 1-3 Millionen Jahre alt ist. Das ist für einen Planeten relativ jung.
Den kleinen, neugeborenen Planeten direkt abzubilden, wird aufgrund von technischen Begrenzungen in naher Zukunft nicht möglich sein, aber Long denkt, dass weitere ALMA-Beobachtungen von LkCa 15 weitere Belege liefern könnten, um ihre Entdeckung zu unterstützen.
Sie hofft auch, dass ihr neuer Ansatz zum Nachweis von Planeten mittels Materie, die sich vorzugsweise an den Lagrange-Punkten sammelt, in Zukunft von Astronomen genutzt werden wird. “Ich hoffe, dass diese Methode in der Zukunft umfassend eingesetzt wird”, sagte sie. “Der einzige Nachteil ist, dass sie sehr tiefe Beobachtungsdaten benötigt, da das Signal schwach ist.”
Long beendete kürzlich ihr Postdoktoranden-Stipendiat am CfA und wird ab September als NASA-Hubble-Stipendiatin an der University of Arizona tätig sein. Die Co-Autoren der Studie sind Sean Andrews, Chunhua Qi, David Wilner und Karin Oberg vom CfA, Shangjia Zhang und Zhaohuan Zhu von der University of Nevada, Myriam Benisty von der University of Grenoble, Stefano Facchini von der University of Milan, Andrea Isella von der Rice University, Jaehan Bae von der University of Florida, Jane Huang von der University of Michigan, sowie Ryan Loomis vom National Radio Astronomy Observatory. Die hochauflösenden Beobachtungen machte ALMA mit Empfängern im Band 6 (1,3mm) und im Band 7 (0,88mm).
(THK)
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