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Eine Illustration einer sich bildenden Scheibe um einen Stern.(Bildnachweis: ANDRZEJ WOJCICKI/Science Photo Library/Getty Images)

Planetenbildung um massearme Sterne leidet möglicherweise unter dem Peter-Pan-Syndrom. Während frühere Beobachtungen und Modelle davon ausgingen, dass eine Scheibe aus Planetenbausteinen in etwa 10 Millionen Jahren „ausgewachsen“ sein sollte – nachdem sie ihr Material für die Entstehung von Planeten verbrannt hat -, beweist ein neues Kind im Block, dass sie falsch liegen, denn es wiegt etwa 30 Millionen Jahre.

Mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) haben Astronomen eine der zuvor identifizierten Peter-Pan-Scheiben um einen massearmen Stern untersucht. Doch anstatt eine Scheibe zu sehen, die die Planetenbildung hinter sich gelassen hat, fanden sie eine Scheibe, die reich an Kohlenwasserstoffen ist, mit chemischen Signaturen, die noch nie zuvor in einer so alten Scheibe gesehen wurden. Diese verlängerte Lebensdauer könnte wichtige Auswirkungen auf die Planetenbildung haben, zumindest in der Umgebung von Sternen mit geringer Masse.

„Eine langlebige Scheibe kann mehr Zeit für die Bildung massereicher Kerne bieten“, erklärte Feng Long, Forscher am Lunar and Planetary Lab der Universität Arizona und Erstautor der neuen Studie, die in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, gegenüber kosmischeweiten.de per E-Mail. „Riesenplaneten können sich also möglicherweise vor der Auflösung der Scheibe bilden.“

Ich will nicht erwachsen werden!

Nach der Entstehung eines Sterns vereinen sich Staub- und Gasreste zu einem materialreichen Reservoir, das als protoplanetare Scheibe bekannt ist. Kollisionen von Material, die durch das Gas sowohl angetrieben als auch stabilisiert werden, lösen den Prozess der Planetenbildung aus. Beobachtungen von Scheiben in den letzten zwei Jahrzehnten haben gezeigt, dass den meisten von ihnen innerhalb der ersten 10 Millionen Jahre das Gas ausgeht und Gesteins- und Eisbrocken zurückbleiben, aus denen sich dann Welten bilden.

Im Jahr 2020 haben Forscher, die mit dem Bürgerforschungsprojekt Disk Detective zusammenarbeiten, vier massearme Sterne identifiziert, die sogenannte „Peter-Pan-Scheiben“ beherbergen.

„Wir haben sie als ‚niemals erwachsen‘ bezeichnet, weil sie ihre primordiale Scheibe lange nach dem erwarteten Zeitrahmen, in dem sich primordiale Scheiben auflösen, beibehalten haben“, sagte Steven Silverberg, derzeitiger Projektleiter von Disk Detectives, per E-Mail gegenüber kosmischeweiten.de. Silverburg, der nicht an der neuen Forschung beteiligt ist, erforscht junge, massearme Sterne und protoplanetare Scheiben.

Laut Silverburg und seinen Kollegen haben Peter-Pan-Scheiben vier Haupteigenschaften: Sie drehen sich um einen massearmen Stern, haben ein Alter von mindestens 20 Millionen Jahren, leuchten hell im Infraroten, und ihre Signatur zeigt Anzeichen von warmem Gas. Derzeit gibt es nur neun Scheiben, auf die diese Eigenschaften zutreffen.

Die bisherigen Beobachtungen ergaben jedoch nur, dass es eine Scheibe mit Spuren von Gas gibt. Weitere Beobachtungen waren erforderlich, um festzustellen, ob sie Reserven an kaltem Material aufweisen und um ihren Staub- und Gasgehalt zu schätzen.

Long und ihre Kollegen richteten das James Webb Space Telescope (JWST) der NASA auf eine dieser Scheiben um den Stern WISE J044634.16-262756.1B, genannt J0446B. JWST war in der Lage, einen Blick in das staubige Material zu werfen und eine Fülle von Molekülen zu identifizieren, die nie zuvor in einer so alten Scheibe zu sehen waren. Laut Long ermöglicht die verbesserte Empfindlichkeit von JWST das Aufspüren von Molekülen, die für ältere Instrumente wie das Spitzer-Teleskop der NASA zu schwach sind.

Die in der Scheibe von J0446B aufgewirbelten Bestandteile verraten den Astronomen viel darüber, was in der Scheibe passiert. Das Vorhandensein von Argon- und Neon-Atomlinien deutet darauf hin, dass weiche Röntgenstrahlen und extreme ultraviolette Strahlen für die Ionisierung der Scheibe verantwortlich sein könnten. Dies könnte eine Erklärung dafür sein, warum die Scheibe so lange überdauert hat. Stellare Energie, die auf die Scheibe trifft, kann das Gas in ihrem Inneren ionisieren und es dadurch wegblasen. Stellare Strahlung und Ionisierung wirken sich auch direkt auf die Temperatur der Scheibe aus und beeinflussen die Bewegung von Staub und Gas. Zusammen kann dies die Chemie der Scheibe beeinflussen und die Bildung komplexerer Moleküle fördern.

Wie bestimmen Wissenschaftler das Alter einer Scheibe? Das hängt ganz vom Stern ab.

„Das Alter eines Sterns zu messen, ist bekanntermaßen eine Herausforderung“, sagt Long. Glücklicherweise bilden sich die meisten Sterne nicht allein, sondern bleiben innerhalb einer Gruppe. „Obwohl das absolute Sternalter unsicher ist, kann der relative Altersunterschied robust sein.“

Astronomen untersuchen den Sternenhaufen um einen einzelnen Stern. Sternhaufen bewegen sich gemeinsam durch die Galaxie wie ein Rudel Hooligans und können als Gruppe datiert werden. Das deutet darauf hin, dass sie ungefähr zur gleichen Zeit entstanden sind.

Da die Instrumente immer präziser werden, können die Astronomen diese Alter besser eingrenzen. Die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation hat während ihrer kürzlich abgeschlossenen 12-jährigen Mission präzise Messungen für mehr als eine Milliarde Sterne geliefert, die es den Forschern ermöglichten, diese Altersangaben weiter zu verfeinern und J0446B und seine Scheibe auf ein Alter von etwa 33 Millionen Jahren festzulegen.

Eine Illustration eines Sterns, der von einer protoplanetaren Scheibe umgeben ist. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Um einen Planeten zu bauen

Zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Lebensdauer der protoplanetaren Scheibe beginnen Gestein, Eis und Gas zu Planetenkernen zu verschmelzen. Langlebige Scheiben könnten eine wichtige Rolle bei ihrer Entstehung und Erhaltung spielen. Es wird angenommen, dass sich Riesenplaneten innerhalb der ersten paar Millionen Jahre bilden, da sie eine große Menge an Gas benötigen. Gesteinsplaneten können bis zu zehn Millionen Jahre brauchen, nachdem das Gas verschwunden ist, um sich zu bilden, so Long.

Wenn das Gas jedoch über längere Zeiträume hinweg vorhanden ist, könnte mehr Zeit für die Bildung von Riesenplaneten zur Verfügung stehen. Und das Vorhandensein von Gas kann dazu beitragen, dass sie länger bestehen bleiben, wodurch wilde Bahnschwankungen gedämpft werden, die sonst zu ausgestoßenen Welten führen könnten.

Silverberg ist vorsichtig und weist darauf hin, dass Sterne mit geringer Masse in der Regel mit weniger Gas beginnen als ihre größeren stellaren Vettern. Selbst wenn das Gas länger vorhanden ist, kann es nicht ausreichen, um massereiche Riesen zu bilden. Das passt zu den Beobachtungen, wonach massearme Sterne nur wenige oder gar keine Riesen aufweisen.

Die Beschaffenheit der Scheibe hat auch Einfluss darauf, welche Arten von Planeten sich gebildet haben könnten. Die Kohlenwasserstoffe waren in J0446B besonders dicht. Long ist der Meinung, dass kohlenstoffreiche Scheiben ein Merkmal von langlebigen Scheiben um massearme Sterne sein könnten. Der hohe Kohlenstoffgehalt könnte sich auf die Atmosphären der Planeten auswirken. Gesteinswelten, die diese kleineren Sterne umkreisen, könnten reichhaltige Kohlenstoffatmosphären oder sogar Dunstschleier haben, wie der Saturnmond Titan. Titan gilt als einer der besten Kandidaten für die Entwicklung von Leben in unserem Sonnensystem.

„Das hohe Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis kann zum Aufbau methanreicher Atmosphären beitragen und zur Dunstbildung führen“, sagte Long.

Kosmische Raritäten

Wie häufig sind diese Peter-Pan-Scheiben also? Nicht sehr häufig. Bislang wurden nur neun entdeckt, und keine wurde so gründlich untersucht wie J0446B. Während die meisten in Sternhaufen leben, die eine einfache Datierung ermöglichen, führt die verbesserte Genauigkeit von Gaia zu einer Anpassung der Altersangaben einiger Sterne.

Die Frage, warum gerade diese Sterne so langlebige Scheiben haben, ist nach wie vor unbekannt. Sterne mit geringer Masse haben eine geringere Strahlung, was ihren Scheiben mehr Zeit zum Überleben geben könnte. Aber offensichtlich bilden nicht alle massearmen Sterne Peter-Pan-Scheiben.

Die Knappheit könnte damit zusammenhängen, was die Instrumente heute finden können. „Es scheint plausibel, dass der Mangel an Entdeckungen von Scheiben dieser Art eher auf die Grenzen der Beobachtung als auf einen tatsächlichen Mangel an solchen Systemen zurückzuführen ist“, schrieb Silverstone in seinem Papier von 2020.

Alternativ dazu könnte es sich um eine Besonderheit der Scheiben selbst handeln.

„Bei diesen speziellen langlebigen Scheiben kann sich ihre Scheibe auch irgendwie langsamer entwickeln als ihre scheibenlosen Gegenstücke um ähnliche Sterne“, sagte Long.