Eine Falschfarbenansicht des Hubble-Weltraumteleskops von einer 100 Milliarden Meilen breiten Staubscheibe um den Sommerstern Wega (links). Das James-Webb-Weltraumteleskop löst das Glühen des warmen Staubs in einem Scheibenhalo in 23 Milliarden Meilen Entfernung auf (rechts).(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, S. Wolff (University of Arizona), K. Su (University of Arizona), A. Gáspár (University of Arizona))
Ein gemeinsames Projekt von Hubble und James Webb Space Telescope (JWST), um mehr über die staubige Scheibe um den hellen Stern Wega zu erfahren, hat einen überraschenden Mangel an Planeten festgestellt, was dadurch belegt wird, dass die Scheibe und der umgebende Halo mit einem Schnee aus winzigen Partikeln gefüllt sind.
Im Film „Contact“ von 1997 wird Jodie Fosters Figur Ellie Arroway zur Wega transportiert, wo sie eine Wolke aus Staubteilchen, aber keine Planeten findet. In Carl Sagans Originalroman von 1985 ist die Wega ebenfalls ohne Planeten, aber von staubigen Ringen aus Trümmern umgeben, die eines Tages Planeten bilden könnten. Genau wie in „Contact“ haben das Hubble-Weltraumteleskop und das JWST keine Planeten gefunden, aber im Gegensatz zu Sagans Geschichte haben sie gezeigt, dass die Staubscheibe der Wega eigentlich ziemlich strukturlos ist und keine ausgeprägten Ringe aufweist.
Die neuen Beobachtungen sind jedoch nicht erschöpfend: Obwohl wir Riesenplaneten größer als Neptun ausschließen, können wir anhand der Beobachtungen der staubigen Umgebung der Wega noch nicht sagen, ob es irgendwelche Supererden oder kleinere Welten gibt, die sie umkreisen. „Das bringt uns dazu, die Bandbreite und Vielfalt der Exoplanetensysteme zu überdenken“, sagte Kate Su von der University of Arizona, die die JWST-Beobachtungen leitete, in einer Erklärung.
Die zirkumstellare Staubscheibe der Wega, die durch kaskadenartige Kollisionen zwischen Asteroiden sowie durch Kometen, die in ihren Schweifen Staub abwerfen, entsteht, wurde 1984 von einer gemeinsamen amerikanisch-britisch-niederländischen Mission namens IRAS (Infrared Astronomy Satellite) als Überschuss an Infrarotlicht entdeckt, das von der Wega ausging. Interstellarer Staub ist ein starker Emittent von Infrarotlicht, wenn er Sternenlicht absorbiert, erwärmt wird und dieses Licht als thermisches Infrarot wieder abstrahlt.
Bemerkenswert an der Entdeckung von IRAS ist, dass es sich um die erste Region vom Kuipergürtel-Typ handelt, die um einen Stern gefunden wurde, acht Jahre bevor das erste Kuipergürtel-Objekt in unserem eigenen Sonnensystem entdeckt wurde.
Da die Wega mit einer Entfernung von 25 Lichtjahren relativ nahe bei uns ist und ihre Staubscheibe uns frontal zugewandt ist, ist sie eine der am besten ausgereiften Staubscheiben, die Astronomen beobachten können, zusammen mit den Scheiben um die anderen Sterne Fomalhaut und Epsilon Eridani, mit denen die Staubscheibe der Wega oft verglichen wird.
In den Jahren seit IRAS haben andere Teleskope und Missionen die Scheibe der Wega verfolgt. Im Jahr 1998 entdeckte das SCUBA-Submillimeter-Instrument des James-Clerk-Maxwell-Teleskops auf Hawaii die Scheibe, ebenso wie das Spitzer-Weltraumteleskop im Jahr 2005. ALMA, das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Chile, verfeinerte die Beobachtungen des zuerst von IRAS entdeckten Rings und stellte fest, dass er etwa 80 Astronomische Einheiten (AE) von Wega entfernt beginnt und sich bis etwa 170 AE erstreckt. Eine astronomische Einheit ist durch die durchschnittliche Entfernung der Erde von der Sonne definiert, die 149,6 Millionen Kilometer beträgt. IRAS und ALMA haben den Staubring also zwischen 12 Milliarden Kilometern und 25 Milliarden Kilometern Entfernung von der Wega gemessen.
Doch trotz all dieser Beobachtungen waren die Details immer noch spärlich. Deshalb sind insbesondere die neuen Beobachtungen des JWST, das eine 8-mal höhere räumliche Auflösung als Spitzer hat, ein großer Fortschritt.
„Mit dem Hubble- und dem Webb-Teleskop erhält man einen sehr klaren Blick auf die Wega“, sagt Andras Gáspár von der University of Arizona. „Es ist ein mysteriöses System, weil es sich von anderen zirkumstellaren Scheiben unterscheidet, die wir bisher untersucht haben.“
Um zu verstehen, warum das so ist, sollte man sich die Staubscheibe um den Stern Fomalhaut ansehen, die im Laufe der Jahre regelmäßig von Hubble beobachtet worden ist. Die Scheibe von Fomalhaut hat sauber definierte Ringe aus Staub, die von unsichtbaren Exoplaneten geformt und gehalten werden. Im Vergleich dazu ist die Wega-Scheibe glatt, lächerlich glatt“, so Gáspár.
Angesichts der Ähnlichkeiten zwischen Wega und Fomalhaut – beide sind Sterne des Typs A, beide leuchten um ein Vielfaches heller als die Sonne (etwa 40 bzw. 15 Mal heller) und beide sind weniger als eine Milliarde Jahre alt – warum hat Fomalhaut anscheinend große Planeten gebildet, die in der Lage sind, die Ringe in seine Staubscheibe einzuritzen, Wega aber nach den Beobachtungen von Hubble und JWST zu urteilen nicht?
„Worin liegt der Unterschied? Hat die zirkumstellare Umgebung oder der Stern selbst diesen Unterschied verursacht?“, fragte George Rieke von der Universität von Arizona. „Was rätselhaft ist, ist, dass in beiden Fällen die gleiche Physik am Werk ist.
Speziell Hubble, das seinen Koronagraphen STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) einsetzte, um die Blendung der Wega selbst zu blockieren, um die Scheibe zu sehen, sah gestreutes Licht aus dem äußeren Halo der Scheibe, das sich von 80 bis 230 AU (34 Milliarden Kilometer/21 Milliarden Meilen) erstreckt. Die Partikel, die das Licht der Wega bei den für Hubble sichtbaren Wellenlängen streuen, sind nicht größer als Rauchpartikel, nur Mikrometer (Millionstel Meter) groß.
Eine Falschfarbenansicht des Hubble-Weltraumteleskops von einer 100 Milliarden Meilen breiten Staubscheibe um den Sommerstern Wega. Hubble erkennt reflektiertes Licht von Staub in der Größe von Rauchpartikeln, die sich größtenteils in einem Halo am Rande der Scheibe befinden. Die Scheibe ist sehr glatt, und es gibt keine Hinweise auf eingebettete große Planeten. Der schwarze Fleck in der Mitte verdeckt das helle Leuchten des heißen jungen Sterns. (Bildnachweis: NASA, ESA, STScI, S. Wolff (Universität von Arizona))
In der Zwischenzeit beobachtete das Mittelinfrarot-Instrument des JWST den inneren Teil des Halos und der Staubscheibe der Wega. Dabei wurde das gleiche Kuiper-Gürtel-Analogon zwischen 80 und 170 AE erfasst, das zuvor von ALMA entdeckt worden war, und die thermische Emission von größeren Partikeln in der Größe von Sandkörnern nachgewiesen.
„Die Tatsache, dass wir die Größen der Staubpartikel sortiert sehen, kann uns helfen, die zugrunde liegende Dynamik in zirkumstellaren Scheiben zu verstehen“, sagte Schuyler Wolff von der University of Arizona, der die Hubble-Beobachtungen leitete.
Dies ist eine Aufnahme des James Webb Weltraumteleskops von einer 100 Milliarden Meilen breiten Staubscheibe um den Stern Wega. Die Scheibe ist bemerkenswert glatt, und es gibt keine strittigen Beweise für die Entstehung von Planeten. Webb löst das Glühen des warmen Staubs in einem Scheibenhalo in 23 Milliarden Meilen Entfernung auf. Die äußere Scheibe (analog zum Kuiper-Gürtel des Sonnensystems) erstreckt sich von 7 Milliarden Meilen bis 15 Milliarden Meilen. Die innere Scheibe erstreckt sich vom inneren Rand der äußeren Scheibe bis in unmittelbare Nähe des Sterns. Die Oberflächenhelligkeit der inneren Scheibe nimmt von etwa 3,7 bis 7,2 Milliarden Meilen deutlich ab. Der schwarze Fleck in der Mitte ist auf fehlende Daten aus der Sättigung zurückzuführen. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, K. Su (Universität von Arizona), A. Gáspár (Universität von Arizona))
Wolffs Team geht davon aus, dass es zwar keine großen Planeten gibt, aber ein großer Schwarm von Asteroiden und Kometen, die Staub abwerfen. Das Licht der Wega ist dann in der Lage, die kleineren Staubpartikel in größere Entfernungen und auf elliptische oder sogar hyperbolische Bahnen zu schieben, weshalb der äußere Halo mit Körnern in der Größe von Rauchpartikeln gefüllt ist und der innere Halo mit etwas größeren Körnern, die nicht so weit hinausgeschoben werden können.
Das JWST hat auch einen genaueren Blick auf die Wega geworfen und festgestellt, dass die Scheibe nicht völlig glatt und strukturlos ist. Etwa 60AU (9 Milliarden Kilometer) vom Stern entfernt gibt es einen Ring, in dem die Helligkeit abnimmt. Es handelt sich dabei nicht um eine leere Lücke – der Lichtabfall variiert mit der Wellenlänge und erscheint bei längeren Infrarot-Wellenlängen breiter und tiefer, was bedeutet, dass er mit der Größe der Körner zusammenhängt.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Erscheinung bei 60AU zu erklären. Eine davon ist der so genannte Poynting-Robertson-Effekt, bei dem das Licht eines Sterns Staubkörner bis zu einer Größe von einem Millimeter nicht wegschiebt, sondern sie dazu bringt, sich zu verlangsamen und spiralförmig auf den Stern zuzubewegen, wodurch ein Mangel an Partikeln dieser Größe in der Region der Scheibe entsteht, in der der Poynting-Robertson-Effekt zum Tragen kommt.
Eine andere Möglichkeit ist, dass es einen unsichtbaren Planeten gibt, der mindestens sechsmal so groß ist wie die Erde. Sicher ist, dass es keine Planeten mit einer Masse von Neptun oder mehr gibt, wenn man die Verteilung des Staubes in der Scheibe der Wega betrachtet.
„Die Architektur des Wega-Systems unterscheidet sich deutlich von der unseres eigenen Sonnensystems, wo Riesenplaneten wie Jupiter und Saturn den Staub daran hindern, sich so auszubreiten, wie es bei Wega der Fall ist“, sagt Wolff und fügt hinzu: „Wega ist nach wie vor ungewöhnlich. “Auch hier lassen sich Vergleiche mit Fomalhaut anstellen, wo der Staub durch die Schwerkraft der Planeten eng an bestimmte Bahnen gebunden ist.
Weder Hubble noch das JWST können die Staubscheibe bis zur Wega selbst sehen. Die Empfindlichkeit des JWST für die Scheibe nimmt etwa 7 AU (1 Milliarde Kilometer) von der Wega entfernt ab, obwohl Computermodelle darauf hindeuten, dass der innere Rand der Scheibe irgendwo zwischen 3 und 5 AU (449 Millionen Kilometer und 748 Millionen Kilometer) von der Wega entfernt ist. Diese Modellierung deutet auch darauf hin, dass es einen Planeten geben könnte, der die scharfe innere Kante der Scheibe, die der Wega am nächsten ist, durchschneidet, aber bisher wurden noch keine Planeten entdeckt.
„Es gibt noch viele Unbekannte im Prozess der Planetenentstehung, und ich denke, dass diese neuen Beobachtungen der Wega dazu beitragen werden, die Modelle der Planetenentstehung einzuschränken“, sagte Su und spielte damit darauf an, dass die Beobachtungen dazu beitragen werden, die verschiedenen Möglichkeiten für diese Modelle einzugrenzen, was uns einen Schritt näher an das vollständige Verständnis der Entstehung von Planeten, einschließlich der Erde, heranbringt.
Die Ergebnisse von Hubble und die Daten von JWST werden in zwei Einzelbeiträgen veröffentlicht, die in der Zeitschrift The Astrophysical Journal erscheinen.
