Eine Illustration einer Planeten bildenden Scheibe, die einen jungen Stern umgibt, zeigt einen wirbelnden „Pfannkuchen“ aus heißem Gas und Staub, aus dem sich Planeten bilden.(Bildnachweis: National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ))
Mithilfe des James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen ein detaillierteres Bild der turbulenten „Pfannkuchen“ aus Gas und Staub gewonnen, die junge Sterne umgeben, sie nähren und ihr Wachstum erleichtern, bevor sie Planeten gebären.
JWST sammelte neue Details über die „Winde des Wandels“, Gasströme, die durch diese protoplanetaren Scheiben wehen und ihre Formen ausformen. Dabei entdeckte das leistungsstarke Weltraumteleskop Beweise für einen seit langem vermuteten Mechanismus, der es einem jungen Stern ermöglicht, das Material aus der Scheibe zu sammeln, das er für sein Wachstum benötigt.
Ein Team unter der Leitung von Astronomen der Universität von Arizona hat Beobachtungen von vier protoplanetaren Scheibensystemen gesammelt, die von der Erde aus gesehen alle hochkant erscheinen. Sie stellen den umfassendsten Blick auf die Kräfte dar, die protoplanetare Scheiben formen, und bieten eine Momentaufnahme davon, wie unser Sonnensystem und die Kindersonne vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aussahen, bevor die Erde und die anderen Planeten entstanden.
„Unsere Beobachtungen deuten stark darauf hin, dass wir die ersten detaillierten Bilder der Winde erhalten haben, die den Drehimpuls entfernen und das seit langem bestehende Problem lösen können, wie Sterne und Planetensysteme entstehen“, sagte die Leiterin des Teams, Ilaria Pascucci, vom Mond- und Planetenlabor der Universität von Arizona, in einer Erklärung.
„Die Art und Weise, wie ein Stern an Masse zunimmt, hat einen großen Einfluss darauf, wie sich die umgebende Scheibe im Laufe der Zeit entwickelt, einschließlich der Art und Weise, wie sich später Planeten bilden“, sagte Pascucci. „Wir wissen noch nicht genau, wie dies geschieht, aber wir denken, dass Winde, die von Magnetfeldern über den größten Teil der Scheibenoberfläche angetrieben werden, eine sehr wichtige Rolle spielen könnten.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Freitag (4. Oktober) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Verfolgung der Winde der Veränderung um junge Sterne
Es wird geschätzt, dass in dem Teil des Kosmos, den die Menschheit sehen kann, jede Sekunde 3.000 Sterne geboren werden. In ihren Kinderschuhen werden diese Sternkörper als „Protosterne“ bezeichnet, und sie sind von einem vorgeburtlichen Kokon aus Gas und Staub umgeben, aus dem sie entstanden sind.
Im Laufe der Zeit flacht diese Wolke ab und wirbelt um den Protostern, der daraus genügend Masse gewinnt, um die Fusion von Wasserstoff zu Helium in seinem Kern in Gang zu setzen. Dieser Prozess definiert einen Hauptreihen- oder „erwachsenen“ Stern.
Damit der Protostern sich ernähren und wachsen kann, muss das Gas, das ihn umkreist, jedoch an Drehimpuls verlieren. Wenn dies nicht der Fall wäre, würde es sich einfach immer weiter um den Protostern drehen, in der Schwebe bleiben und niemals auf seine Oberfläche fallen.
Obwohl dieser Prozess im Kosmos allgegenwärtig sein muss, haben sich die Wissenschaftler schwer getan, den Mechanismus hinter dem Verlust der Trägheit zu verstehen. Ein Vorschlag, der in letzter Zeit Unterstützung gefunden hat, ist, dass durch Magnetismus angetriebene Winde, die durch die protoplanetare Scheibe toben, Gas von ihrer Oberfläche abziehen und dabei Drehimpuls mitnehmen könnten.
Die protoplanetare Scheibe um den jungen Stern PDS 70, wie sie vom JWST gesehen wird. (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.)
Teammitglied Tracy Beck, Forscherin am Space Telescope Science Institute der NASA, wies darauf hin, dass es für das Team von entscheidender Bedeutung war, zwischen diesen Prozessen zu unterscheiden, da auch andere Mechanismen bei der Erzeugung von Winden in protoplanetaren Scheiben eine Rolle spielen.
Das Magnetfeld eines Protosterns erzeugt zum Beispiel einen „X-Wind“, der Material am inneren Rand der protoplanetaren Scheibe nach außen drückt. In der Zwischenzeit sprengt die intensive Strahlung des Baby-Sterns das Material in den äußeren Teilen der Scheibe, wodurch es erodiert und „thermische Winde“ entstehen. Diese letzteren Winde wehen mit geringerer Geschwindigkeit als die X-Winde, die Dutzende von Kilometern pro Sekunde zurücklegen können.
Die X-Winde sind nicht nur schneller, sondern entstehen auch weiter vom zentralen Protostern entfernt als thermische Winde. Sie sind auch in der Lage, sich weiter über die Scheibe zu erstrecken als thermische Winde und erreichen Entfernungen, die dem Hundertfachen der Entfernung zwischen der Erde und der Sonne entsprechen.
Glücklicherweise sind die unglaubliche Empfindlichkeit und die hohe Auflösung des JWST-Infrarotbildes ideal geeignet, um zwischen magnetfeldgetriebenen Winden, thermischen Winden und X-Winden zu unterscheiden, die um Protosterne wehen.
Gasjets und Winde, die durch die protoplanetare Scheibe des Protosterns HH 30 wüten. (Bildnachweis: I. Pascucci et al/MPIA)
Das 10-Milliarden-Dollar-Weltraumteleskop wurde bei der Untersuchung dadurch unterstützt, dass das Team Protosternsysteme auswählte, die von der Erde aus gesehen frontal ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung bedeutet, dass der Staub und das Gas in der protoplanetaren Scheibe wie ein natürlicher Schutzschild wirken, der das Sternenlicht von den Protosternen blockiert und verhindert, dass das JWST geblendet wird, so dass es zwischen den Winden unterscheiden kann.
Ohne dieses Hindernis konnte das Team den Nahinfrarotspektrographen (NIRSpec) des JWST nutzen, um einzelne Atome und Moleküle auf ihrem Weg durch diese protoplanetaren Scheiben zu verfolgen. Mit Hilfe der Integral Field Unit (IFU) von NIRSpec konnten sie dann ein komplexes 3D-Bild der Struktur eines zentralen Jets innerhalb einer kegelförmigen Hülle aus Scheibenwinden erstellen. Diese Hülle war wie eine Zwiebel strukturiert und bestand aus Schichten, die an immer größeren Radien in der Scheibe entstanden.
Das Team entdeckte ausgeprägte zentrale Löcher in diesen Kegeln, die durch Winde in jeder der vier protoplanetaren Scheiben gebildet wurden.
Die Forscher wollen nun weitere protoplanetare Scheiben untersuchen, um herauszufinden, ob diese Löcher häufig vorkommen. Dann können sie versuchen herauszufinden, welche Rolle sie bei der Ernährung der jungen Sterne spielen könnten.
„Wir glauben, dass sie häufig vorkommen könnten, aber mit vier Objekten ist es etwas schwierig zu sagen“, schloss Pascucci. „Wir wollen mit JWST eine größere Stichprobe erhalten und dann auch sehen, ob wir Veränderungen in diesen Winden feststellen können, wenn sich Sterne zusammensetzen und Planeten entstehen.“
