Die künstlerische Darstellung eines Gasriesenplaneten, der sich um einen jungen Stern bildet (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)
Astronomen sind mit dem James Webb Space Telescope (JWST) auf der Suche nach Planeten, die sich gerade um junge Sterne bilden. Das leistungsstarke Weltraumteleskop wurde schnell fündig, wenn auch auf unerwartete Weise.
Diese jungen Planeten bilden sich in wirbelnden Gas- und Staubklumpen, die als protoplanetare Scheiben bezeichnet werden, und sammeln dabei immer mehr Masse an. Die Menschheit hat viele dieser protoplanetaren Scheiben abgebildet, aber die Astronomen haben bisher nur wenige Male einen Blick auf die sich bildenden Planeten in ihnen geworfen.
Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Michigan, der University of Arizona und der University of Victoria die Leistung der empfindlichen Infrarotinstrumente des JWST in diese Suche einbezogen. Das Team nutzte das große Teleskop zur Beobachtung der protoplanetaren Scheiben HL Tau, SAO 206462 und MWC 758 und ergänzte damit die vom Hubble-Weltraumteleskop und dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) gesammelten Daten, in der Hoffnung, einen sich bildenden Planeten zu entdecken.
Die Untersuchung deckte auch bisher unbekannte Wechselwirkungen zwischen protoplanetaren Scheiben und den Gashüllen auf, die sich näher an den Sternen befinden, die im Herzen dieser Scheiben sitzen.
„Im Grunde haben wir in jeder Scheibe, die wir mit ausreichender Auflösung und Empfindlichkeit beobachtet haben, große Strukturen wie Lücken, Ringe und, im Fall von SAO 206462, Spiralen gesehen“, sagte Teammitglied und Astronom der University of Michigan Gabriele Cugno in einer Erklärung. „Die meisten, wenn nicht alle, dieser Strukturen lassen sich durch die Bildung von Planeten erklären, die mit dem Scheibenmaterial wechselwirken, aber es gibt auch andere Erklärungen, die nicht die Anwesenheit von Riesenplaneten voraussetzen.
„Wenn es uns gelingt, diese Planeten endlich zu sehen, können wir einige der Strukturen mit sich bildenden Begleitern in Verbindung bringen und die Entstehungsprozesse mit den Eigenschaften anderer Systeme in viel späteren Stadien in Beziehung setzen. Wir können endlich eine Verbindung zwischen den Punkten herstellen und verstehen, wie sich Planeten und Planetensysteme als Ganzes entwickeln.“
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Finden eines unerwarteten Planeten
Cugno leitete eine JWST-Untersuchung der protoplanetaren Scheibe um den Protostern SAO 206462. Ein Protostern ist ein stellarer Körper, der noch nicht genug Masse angehäuft hat, um in seinem Kern die Fusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen, den Prozess, der einen vollwertigen Hauptreihenstern wie die Sonne definiert.
In der protoplanetaren Scheibe um SAO 206462 entdeckte das Team die Signale eines sich bildenden Planeten, aber mit einer Besonderheit: Es war nicht der Planet, den sie erwartet hatten: „Mehrere Simulationen deuten darauf hin, dass der Planet innerhalb der Scheibe sein sollte, massiv, groß, heiß und hell. Aber wir haben ihn nicht gefunden. Das bedeutet, dass der Planet entweder viel kälter ist, als wir denken, oder dass er von einem Material verdeckt wird, das uns daran hindert, ihn zu sehen“, so Cugno weiter. „Was wir gefunden haben, ist ein anderer Planetenkandidat, aber wir können nicht mit hundertprozentiger Sicherheit sagen, ob es sich um einen Planeten oder einen schwachen Hintergrundstern oder eine Galaxie handelt, die unser Bild verunreinigt.
„Künftige Beobachtungen werden uns helfen, genau zu verstehen, was wir hier sehen.“
Spiralarme in der protoplanetaren Scheibe um den Kinderstern SAO 206462. (Bildnachweis: NAOJ/Subaru)
Es ist nicht das erste Mal, dass die Scheibe von SAO 206462 in den Fokus gerückt wird. Hubble, Alma und das Very Large Telescope (VLT) haben diese protoplanetare Scheibe bereits untersucht, wobei diese Beobachtungen zeigen, dass sie aus zwei starken Spiralen besteht.
Diese Spiralen werden wahrscheinlich von einem sich bildenden Planeten erzeugt. Bevor das Team mit JWST nach diesem Planeten suchte, hatte es jedoch erwartet, einen Gasriesenplaneten zu sehen, der hauptsächlich aus Helium besteht, wie Saturn oder Jupiter.
„Das Problem ist, dass das, was wir zu entdecken versuchen, Hunderttausende, wenn nicht Millionen Mal schwächer ist als der Stern“, sagte Cugno. „Das ist so, als würde man versuchen, eine kleine Glühbirne neben einem Leuchtturm zu entdecken.“
Mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) des JWST konnten Cugno und seine Kollegen tiefer in die Scheibe von SAO 206462 eindringen und die thermische Energie des Planeten aufspüren, von der ein Teil freigesetzt wird, wenn Material mit hoher Geschwindigkeit auf ihn fällt.
„Wenn Material auf den Planeten fällt, stößt es an der Oberfläche auf und gibt eine Emissionslinie bei bestimmten Wellenlängen ab“, sagte Cugno. „Wir verwenden eine Reihe von Schmalbandfiltern, um diese Akkretion zu erkennen. Das wurde schon früher vom Boden aus bei optischen Wellenlängen gemacht, aber dies ist das erste Mal, dass es mit JWST im Infraroten gemacht wurde.“
Dies deutet auf einen Planeten hin, der vom zentralen Protostern etwa 300 Mal so weit entfernt ist wie die Erde von der Sonne. Gasriesen bilden sich in der Regel viel näher an ihren Sternen als dies, wobei einige von ihnen nach Auflösung der protoplanetaren Scheibe nach außen wandern.
Die NIRCam-Ergebnisse schlossen ein Objekt in der Scheibe mit einer Masse von mehr als der 2,2-fachen Jupitermasse aus, und Cugno und seine Kollegen kamen zu dem Schluss, dass ein Gasriese, der die sauberen Spiralen der protoplanetaren Scheibe von SAO 206462 ausbildet, sehr kalt sein muss.
Jüngster Stern hat die richtigen Voraussetzungen für die Planetenbildung
Während Cugno und Kollegen die Scheibe um SAO 206462 untersuchten, nutzte Camryn Mullin von der University of Victoria das JWST, um den Stern HL Tauri (HL Tau) zu untersuchen. Dabei handelt es sich um ein Kleinkind, das etwa 450 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und ebenfalls von einer Vielzahl von Teleskopen untersucht worden ist.
Mit einem geschätzten Alter von nicht mehr als 1 Million Jahren (im Vergleich zu unserer 4,6 Milliarden Jahre alten Sonne) ist HL Tau der jüngste Stern in der JWST-Untersuchung der protoplanetaren Scheibe.
„HL Tau ist das jüngste System in unserer Untersuchung und immer noch von einem dichten Zufluss von Staub und Gas umgeben, der auf die Scheibe fällt“, sagte Mullin. „Wir waren erstaunt über die Detailgenauigkeit, mit der wir dieses umgebende Material mit JWST sehen konnten, aber leider verdeckt es alle Signale von potenziellen Planeten.“
Die Scheibe von HL Tau weist bekanntlich eine Reihe von Lücken und Ringen in der Größe des Sonnensystems auf, die Planeten beherbergen könnten. Aufgrund der hohen Staubdichte der Scheibe und der Jugend des Systems ist es jedoch unwahrscheinlich, dass selbst das JWST Planeten in der Umgebung von HL Tau direkt sehen kann.
ALMA-Bild der Staubscheibe um HL Tauri. (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))
Das Team war in der Lage, mit dem JWST ein Merkmal zu erkennen, das als proto-stellare Hülle bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um den dichten Zufluss von Staub und Gas, der sich um HL Tau herum zusammenzuballen beginnt. Dieses Rohmaterial strömt dem Stern und seiner Scheibe aus dem interstellaren Medium zu, also aus Gas und Staub, die zwischen den Sternen existieren, und wird schließlich als Rohmaterial für die Entstehung von Planeten dienen.
Die Jagd nach entstehenden Planeten geht weiter!
Kevin Wagner, ein Hubble/Sagan-Stipendiat der NASA am Steward-Observatorium der Universität von Arizona, untersuchte die protoplanetare Scheibe von MWC 758 mit dem JWST. Dies ist eine weitere protoplanetare Scheibe mit Spiralarmen, die auf die Anwesenheit eines massereichen Planeten hindeuten könnten.
Dieser mögliche Planet und alle anderen konnten in der Studie des Teams nicht nachgewiesen werden, aber die Empfindlichkeit und Leistung des JWST ermöglichte es ihnen, mögliche sich bildende Planeten innerhalb dieser protoplanetaren Scheibe einzugrenzen. Dazu gehörte auch der Ausschluss der Möglichkeit, dass es am Rande der Scheibe, weit entfernt vom Stern MWC 758, Planeten gibt.
„Das Fehlen von Planeten, die in allen drei Systemen entdeckt wurden, sagt uns, dass die Planeten, die die Lücken und Spiralarme verursachen, entweder zu nahe an ihren Wirtssternen sind oder zu schwach, um mit JWST gesehen zu werden“, sagte Wagner. „Wenn Letzteres zutrifft, bedeutet das, dass sie eine relativ geringe Masse haben, eine niedrige Temperatur, von Staub umhüllt sind oder eine Kombination aus diesen drei Faktoren – wie es wahrscheinlich bei MWC 758 der Fall ist.“
Ein Bild der sich bildenden Planetenscheibe um MWC 758. (Bildnachweis: ESO/A. Garufi et al.; R. Dong et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))
Untersuchungen wie diese über die Bildung von Planeten um junge Sterne sind von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie Materialien in jungen Systemen verteilt werden und wie reife Gebilde wie das Sonnensystem entstanden sind, so die Forscher.
„Nur etwa 15 % der Sterne wie die Sonne haben Planeten wie Jupiter. Es ist wirklich wichtig zu verstehen, wie sie entstehen und sich entwickeln, und unsere Theorien zu verfeinern“, sagte Michael Meyer, Mitglied des Teams und Astronom an der University of Michigan. „Einige Astronomen glauben, dass diese Gasriesenplaneten die Wasserzufuhr zu den Gesteinsplaneten regulieren, die sich in den inneren Teilen der Scheiben bilden.
Diese Untersuchung könnte letztendlich entscheidend sein, um zu verstehen, wie sich die Erde gebildet hat und wie sie in der Lage war, Leben zu beherbergen.
Die Forschungsergebnisse des Teams werden in drei Artikeln diskutiert, die letzte Woche im The Astronomical Journal veröffentlicht wurden.
