Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Nagayoshi Ohashi vom Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) in Taiwan hat das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) verwendet, um Scheiben von 19 Protosternen mit sehr hoher Auflösung zu beobachten und nach den frühesten Anzeichen für Planetenbildung zu suchen. Dieses Projekt namens “Early Planet Formation in Embedded Disks” (eDisk) wurde durch die kürzlichen Ergebnisse angestoßen, laut denen die Planetenbildung in den mit ALMA detailliert beobachteten, weiter entwickelten protoplanetaren Scheiben längst im Gange sein könnte. Aber bis jetzt gab es keine systematische Studie nach Anzeichen für Planetenbildung in jüngeren protostellaren Systemen.
Die Ursprünge unseres Sonnensystems und von Exoplanetensystemen sind eines der wichtigsten Themen in der modernen Astronomie. Unsere Sonne entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren und alle sonnenähnliche Sterne werden durch einen vergleichbaren Prozess gebildet. Als Teil dieses Prozesses bildet sich eine Scheibe um den neugeborenen Stern und innerhalb dieser Scheibe werden Planeten entstehen. Diese sogenannten protoplanetaren Scheiben überdauern wahrscheinlich nur ein paar Millionen Jahre, was bedeutet, dass ein entstehendes Planetensystem nur diese Zeitspanne hat, um seine Entstehung abzuschließen. Allerdings ist es noch unklar, wie schnell die Planetenbildung innerhalb der Scheiben beginnt.
Neue ALMA-Beobachtungen haben gezeigt, dass viele protoplanetare Scheiben Substrukturen wie Lücken und Ringe aufweisen. Das sind überzeugende Belege dafür, dass dort Planeten entstehen und Materie aus der Scheibe ansammeln. Andererseits zeigen auch viele protoplanetarische Scheiben mit solchen Anzeichen, dass die Planetenbildung in Systemen, die wir typischerweise als protoplanetare Scheiben bezeichnen, bereits im Gange oder fast abgeschlossen ist. “Diese früheren Ergebnisse motivierten uns dazu, noch jüngere Scheiben um Protosterne zu untersuchen, um die Frage zu beantworten, in welchem Stadium der Sternentstehung sich Planeten bilden”, sagte Ohashi.
Mit dieser Motivation konzentrierte sich das Team auf Scheiben um Protosterne – Systeme, die nur 10.000-100.000 Jahre alt sind. Die Forscher beobachteten mit ALMA die Radioemissionen von Staubkörnchen in den Scheiben, also den Bausteinen von Planeten. Frühere Studien haben nur eine kleine Handvoll Protosterne mit der Auflösung beobachtet, die für den Nachweis von Anzeichen für Planetenbildung erforderlich ist. Das internationale Team untersuchte die Scheiben von 19 Protosternen, die im Umkreis von 650 Lichtjahren Entfernung zur Erde liegen, und nutzten dafür die sehr hohe Winkelauflösung von ALMA, um die Struktur der protostellaren Scheiben detailliert zu beobachten. Dies ist die erste systematische Studie, um die detaillierte Struktur der Scheiben um eine große Stichprobe von Protosternen mit einer derart hohen Winkelauflösung zu untersuchen.
Die Beobachtung bestätigte, dass es Scheiben um all die Protosterne gibt, was bedeutet, dass die minimalen Voraussetzungen für die Planetenbildung in diesen jungen Protosternsystemen bereits gegeben sind. Allerdings zeigen die Beobachtungen deutlich, dass die Scheiben um Protosterne sich von weiter entwickelten protoplanetaren Scheiben unterscheiden. Nur ein paar der 19 untersuchten Protosterne zeigten in ihren Scheiben Ringe und Lücken (die Anzeichen für Planetenbildung), mit Tendenz zu den am weitesten entwickelten Protosternen. Außerdem ist die Ringstruktur weniger klar als bei den Ringen in den protoplanetaren Scheiben.
Das Team stellte auch fest, dass der Staub (die Bausteine von Planeten) in vielen Scheiben nicht in der Mittelebene der Scheibe liegt. Stattdessen schwebt der Staub oberhalb der Mittelebene, so dass die Scheibe in vertikaler Richtung dick erscheint. In weiter entwickelten Scheiben setzt sich der Staub dagegen in der Mittelebene ab und lässt sie daher viel dünner erscheinen. “Wir hatten nicht erwartet, solch deutliche Unterschiede zwischen den Scheiben um Protosterne und weiter entwickelten Scheiben zu sehen”, sagte Ohashi.
“Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass Scheiben um Protosterne nicht vollständig bereit zur Planetenbildung sind. Wir vermuten, dass die tatsächliche Entstehung der Planetensysteme in den 100.000-1.000.000 Jahren nach der Sternentstehung rasch voranschreitet”, sagte der Co-Leiter des Projekts John Tobin vom National Radio Astronomical Observatory (NRAO).
Jes Jørgensen vom Niels Bohr Institute der University of Copenhagen (Dänemark), der andere Co-Leiter des Projekts, betonte die Bedeutung der internationalen Zusammenarbeit bei der Planung und Implementierung eines solch umfassenden Programms. “Zu der internationalen Forschungsgruppe, die diese Studie durchführte, gehören 37 Forscher von 15 Forschungsinstituten. Etwa die Hälfte davon sind Doktoranden oder junge Forscher, die kürzlich ihren Doktortitel verliehen bekamen. Diese Studie gibt vielen jungen Wissenschaftlern die Möglichkeit, an umfassenden internationalen Programmen teilzunehmen und man kann sagen, dass dieses Programm eine wichtige Rolle bei Pflege der zukünftigen Forschung und Zusammenarbeit spielt.”
(THK)
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