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Die Doppelsternsysteme DF Tau (links) und FO Tau (rechts).(Bildnachweis: S. Dagnello, NSF/AUI/NRAO)

Astronomen haben neue Erkenntnisse über die Entstehung von Planeten um Zwillingssterne, die einander umkreisen, gewonnen.

Trotz der Tatsache, dass wir am meisten mit Planeten vertraut sind, die einen einzelnen, zentralen Stern umkreisen – wie die Anordnung in unserem Sonnensystem – existieren über 50 % der Sterne im Kosmos in einem Doppelsternsystem, d. h. sie haben einen Begleitstern. Diese Doppelsternsysteme können auch Planeten haben, die entweder einen der Sterne in einer „zirkumstellaren Umlaufbahn“ umkreisen oder beide Sterne in einer viel weiteren „zirkumbinären Umlaufbahn“ umkreisen.

Mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – einer Kombination aus 66 Radioteleskopen im Norden Chiles – und dem 10-Meter-Teleskop Keck II auf Hawaii sammelten Astronomen Daten von zwei Zwillingssternsystemen. Was sie dabei herausfanden, könnte unser Verständnis der Bedingungen verändern, die eine solche Planetenbildung in Doppelsternsystemen entweder begünstigen oder verhindern.

Sind zwei Sterne besser als einer für die Geburt eines Planeten?

Binäre Sternentstehung unterscheidet sich nicht großartig von der Entstehung eines einzelnen Sterns. Diese Körper entstehen, wenn dichte Wolken aus kühlem, interstellarem Gas übermäßig dichte Flecken bilden, die immer mehr Masse ansammeln und schließlich unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren, um ein stellares Kind, einen „Protostern“, zu gebären.

Dieser Protostern sammelt weiterhin Material aus seinem vorgeburtlichen Kokon aus Gas und Staub, bis er genügend Masse hat, um in seinem Kern die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen, den Prozess, der einen Hauptreihenstern ausmacht. Wichtig ist, dass einige dieser interstellaren Wolken groß genug sind, um die Bildung von zwei oder sogar drei Hauptreihensternen in ihnen zu ermöglichen.

Das Material, das nach der Entstehung dieser Sterne von der Gas- und Staubwolke übrig bleibt, umgibt sie als das, was die Astronomen eine „protoplanetare Scheibe“ nennen. Wie der Name schon sagt, bilden sich aus diesen Scheiben Planeten. Wie die Planeten selbst können auch die Scheiben zirkumstellar sein, also nur einen Stern umgeben, oder zirkumbinär, also ein ganzes System umschließen.

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Binäre Sterne, die gleichzeitig aus einer einzigen Gaswolke entstehen (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Alves et al.)

Wissenschaftler kennen derzeit weder die Faktoren, die es diesen Scheiben ermöglichen, lange genug zu überdauern, um Planeten zu gebären, noch sind sie sicher, was letztendlich zur Auflösung der Scheiben führt. Wie sich herausstellt, könnten zirkumstellare Scheiben in Doppelsternsystemen vor der Hauptreihe die idealen Labore sein, um diese Fragen zu untersuchen.

Die Eigenschaften dieser frühen Scheiben, wie ihre Größe, Substruktur und sogar ihre Neigung (im Vergleich zu den Eigenschaften des Protosterns wie Rotationsgeschwindigkeit und Magnetfeldstärke), können Details der komplexen Wechselwirkungen enthüllen, die solche Umgebungen für die Geburt von Planeten formen.

Außerdem bedeutet die schiere Allgegenwart von Mehrfachsternsystemen im Universum, dass die Untersuchung der Planetenbildung um Zwillingssterne von entscheidender Bedeutung ist, um diesen Prozess auf einer tieferen Ebene zu verstehen.

Das Doppelsternsystem D.F Tau hat zwei protoplanetare Scheiben, von denen eine an den Zentralstern gebunden ist und die andere sich von dem schnell kreisenden Begleitstern löst (Bildnachweis: S. Dagnello, NSF/AUI/NRAO)

Eines der Doppelsternsysteme, die das Team mit ALMA und Keck II untersuchte, war D.F. Tau, bestehend aus zwei Protosternen mit der 0,6-fachen Sonnenmasse, die sich etwa 150 Lichtjahre von der Erde entfernt in der Sternentstehungsregion Taurus befinden.

Die beiden Sterne von D.F. Tau sind etwa 14-mal so weit voneinander entfernt wie die Erde von der Sonne; sie brauchen etwa 44 Erdjahre, um ihre stark verlängerten Bahnen zu vollenden.

Faszinierenderweise entdeckte ALMA, dass sich die interstellare Wolke, aus der diese Sterne entstanden sind, in zwei zirkumstellare Scheiben aufgeteilt hat. Die eine ist magnetisch an den Zentralstern D.F Tau A gebunden und versorgt ihn aktiv mit Material, um sein Wachstum zu fördern. Die andere scheint sich von dem anderen Stern, D.F Tau B, gelöst zu haben. Die zentrale Region der Scheibe scheint erodiert zu sein, da der junge Stern sich schnell dreht.

Dies legt für das Team nahe, dass es einen Zusammenhang zwischen der Rotation junger Sterne und der magnetischen Bindung der Scheiben an sie und damit der frühen Auflösung der Scheiben geben könnte. Darüber hinaus scheint es, dass Abweichungen zwischen der Umlaufbahn von D.F. Tau, seinen zirkumstellaren Scheiben und den Neigungen seiner Sterne die allgemeine Entwicklung der Scheibe beeinflussen könnten.

Das Doppelsternsystem FS Tau, umgeben von einer pränatalen Gas- und Staubwolke (Bildnachweis: NASA, ESA, K. Stapelfeldt (NASA JPL), G. Kober (NASA/Catholic University of America))

Das zweite Binärsystem, auf das sich das Team konzentrierte, war das sehr junge, 2,8 Millionen Jahre alte F.O Tau-System (zum Vergleich: das Sonnensystem ist 4,6 Milliarden Jahre alt).

Dieses System befindet sich ebenfalls in einer Entfernung von etwa 450 Lichtjahren von uns. Seine Sterne, F.O Tau A und B, befinden sich auf einer kreisförmigeren Umlaufbahn als die Sterne von D.F Tau. Sie sind auch weiter voneinander entfernt, wobei F.O Tau B F.O Tau A in einer Entfernung umkreist, die etwa dem 22-fachen der Entfernung zwischen Erde und Sonne entspricht.

Mit Hilfe von ALMA fanden die Astronomen heraus, dass die Scheiben von F.O Tau mit der Umlaufbahn dieses Doppelsterns ausgerichtet sind. Beide Sterne weisen eine eher langsame Rotationsgeschwindigkeit auf, und die beiden zirkumstellaren Scheiben bleiben magnetisch an ihre Protosterne gebunden. Dies deutet darauf hin, dass Systeme wie F.O Tau mit langsameren Sternen und kreisförmigeren Bahnen besser für die Bildung von Planeten um ihre beiden stellaren Komponenten geeignet sind als schnelle Systeme mit länglichen Bahnen.

ALMA-Beobachtungen anderer Einzel- und Doppelsternscheiben haben komplizierte Unterstrukturen innerhalb der Scheiben offenbart, darunter Merkmale wie spiralförmige Muster, Lücken und Ringbildungen.

Auch wenn diese Strukturen bei D.F. Tau und F.O. Tau derzeit noch nicht sichtbar sind, hat die Bestimmung der großräumigeren Eigenschaften dieser beiden nahen Doppelsternsysteme unser Verständnis der Umgebung der Planetenentstehung erheblich verbessert.

Die Ergebnisse des Teams wurden auf der 244. Tagung der American Astronomical Society (AAS) vorgestellt.