Planetenbildende Scheiben um sehr massearme Sterne sind anders

Eine For­schungs­grup­pe mit Betei­li­gung des MPIA unter­such­te mit dem Welt­raum­te­le­skop James Webb eine pla­ne­ten­bil­den­de Schei­be um einen jun­gen und sehr mas­se­ar­men Stern. Die Ergeb­nis­se zei­gen die bis­lang reich­hal­tigs­te che­mi­sche Zusam­men­set­zung aus Koh­len­was­ser­stof­fen in einer pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be, ein­schließ­lich des ers­ten Nach­wei­ses von Ethan außer­halb des Son­nen­sys­tems und einer rela­tiv gerin­gen Häu­fig­keit von sau­er­stoff­hal­ti­gen Ver­bin­dun­gen. Zusam­men mit frü­he­ren Ent­de­ckun­gen ergibt sich ein Trend, dass sich die Schei­ben um sehr mas­se­ar­me Ster­ne che­misch von denen um mas­se­rei­che­re Ster­ne wie die Son­ne unter­schei­den, was sich auf die Atmo­sphä­ren der dort ent­ste­hen­den Pla­ne­ten auswirkt.

Pla­ne­ten ent­ste­hen in Schei­ben aus Gas und Staub, die jun­ge Ster­ne umge­ben. Der MIRI Mid-INfrared Disk Sur­vey (MINDS) unter der Lei­tung von Tho­mas Hen­ning vom Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­del­berg ver­folgt das Ziel, eine reprä­sen­ta­ti­ve Stich­pro­be von Schei­ben zu erstel­len. Durch die Erfor­schung ihrer che­mi­schen und phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten mit MIRI (Mid INfrared Instru­ment) an Bord des Welt­raum­te­le­skops James Webb (JWST) stellt die Grup­pe eine Ver­bin­dung zwi­schen die­sen Schei­ben und den Eigen­schaf­ten der Pla­ne­ten her, die sich dort mög­li­cher­wei­se bil­den. In einer neu­en Stu­die unter­such­te ein For­schungs­team die Umge­bung eines sehr mas­se­ar­men Sterns von 0,11 Son­nen­mas­sen (bekannt als ISO-ChaI 147), des­sen Ergeb­nis­se in der Zeit­schrift Sci­ence ver­öf­fent­licht wurden.

JWST ermöglicht neue Einblicke in die chemische Zusammensetzung planetenbildender Scheiben

„Die­se Beob­ach­tun­gen sind von der Erde aus nicht mög­lich, da die rele­van­ten Gas­emis­sio­nen durch die Atmo­sphä­re abge­schirmt wer­den“, erklärt Haupt­au­to­rin Adi­tya Arab­ha­vi von der Uni­ver­si­tät Gro­nin­gen in den Nie­der­lan­den. „Bis­her konn­ten wir von die­sem Objekt nur die Strah­lung von Ethin-Mole­kü­len (C₂H₂) nach­wei­sen. Die höhe­re Emp­find­lich­keit von JWST und die spek­tra­le Auf­lö­sung sei­ner Instru­men­te ermög­lich­ten es uns jedoch, schwa­che Signa­le von weni­ger häu­fig vor­kom­men­den Mole­kü­len zu erkennen.“

Die MINDS-Grup­pe fand Gas mit Tem­pe­ra­tu­ren um 300 Kel­vin (ca. 30 Grad Cel­si­us), das stark mit koh­len­stoff­hal­ti­gen Mole­kü­len ange­rei­chert ist, aber kei­ne sau­er­stoff­rei­chen Stof­fe ent­hält. „Das unter­schei­det sich grund­le­gend von der Zusam­men­set­zung, die wir in Schei­ben um son­nen­ähn­li­che Ster­ne sehen, wo sau­er­stoff­hal­ti­ge Mole­kü­le wie Was­ser und Koh­len­di­oxid domi­nie­ren“, fügt Inga Kamp von der Uni­ver­si­tät Gro­nin­gen hinzu.

Ein ein­drucks­vol­les Bei­spiel für eine sau­er­stoff­rei­che Schei­be ist die von PDS 70, wo das MINDS-Pro­gramm kürz­lich gro­ße Men­gen an Was­ser­dampf gefun­den hat. Aus frü­he­ren Beob­ach­tun­gen schlie­ßen die Astro­nom­in­nen und Astro­no­men, dass sich Schei­ben um sehr mas­se­ar­me Ster­ne anders ent­wi­ckeln als sol­che um mas­se­rei­che­re Ster­ne wie die Son­ne, was sich mög­li­cher­wei­se auf das Auf­spü­ren von Gesteins­pla­ne­ten mit erd­ähn­li­chen Eigen­schaf­ten aus­wirkt. Da die Umge­bun­gen in sol­chen Schei­ben die Bedin­gun­gen für die Bil­dung neu­er Pla­ne­ten vor­ge­ben, könn­te ein sol­cher Pla­net zwar aus Gestein sein, sich aber in ande­ren Aspek­ten von der Erde deut­lich unterscheiden.

Was bedeutet das für Gesteinsplaneten, die sehr massearme Sterne umkreisen?

Die Men­ge des Mate­ri­als und sei­ne Ver­tei­lung inner­halb die­ser Schei­ben begrenzt die Anzahl und Grö­ße der Pla­ne­ten, die die Schei­be mit dem not­wen­di­gen Mate­ri­al ver­sor­gen kann. Folg­lich deu­ten Beob­ach­tun­gen dar­auf hin, dass sich in den Schei­ben um sehr mas­se­ar­me Ster­ne, den häu­figs­ten Ster­nen im Uni­ver­sum, Gesteins­pla­ne­ten mit erd­ähn­li­chen Grö­ßen effi­zi­en­ter bil­den als jupi­ter­ähn­li­che Gas­rie­sen. Daher beher­ber­gen die mas­se­ärms­ten Ster­ne bei Wei­tem die meis­ten ter­res­tri­schen Planeten.

„Die ursprüng­li­chen Atmo­sphä­ren die­ser Pla­ne­ten wer­den wahr­schein­lich von Koh­len­was­ser­stoff­ver­bin­dun­gen domi­niert und nicht so sehr von sau­er­stoff­rei­chen Gasen wie Was­ser­dampf und Koh­len­di­oxid“, so Tho­mas Hen­ning. „Wir haben in einer frü­he­ren Stu­die gezeigt, dass der Trans­port von koh­len­stoff­rei­chem Gas in die Zone, in der sich nor­ma­ler­wei­se Gesteins­pla­ne­ten bil­den, in die­sen Schei­ben schnel­ler und effi­zi­en­ter erfolgt als in denen mas­se­rei­che­rer Sterne.“

Obwohl es klar zu sein scheint, dass Schei­ben um sehr mas­se­ar­me Ster­ne mehr Koh­len­stoff als Sau­er­stoff ent­hal­ten, ist der Mecha­nis­mus, der zu die­sem Ungleich­ge­wicht führt, noch unbe­kannt. Die Zusam­men­set­zung der Schei­be ist ent­we­der das Ergeb­nis einer Anrei­che­rung von Koh­len­stoff oder einer Ver­ar­mung von Sau­er­stoff. Wenn der Koh­len­stoff ange­rei­chert ist, liegt die Ursa­che wahr­schein­lich in fes­ten Par­ti­keln in der Schei­be, deren Koh­len­stoff ver­dampft und in die gas­för­mi­ge Kom­po­nen­te der Schei­be frei­ge­setzt wird. Die Staub­kör­ner, die ihren ursprüng­li­chen Koh­len­stoff ver­lo­ren haben, bil­den schließ­lich fes­te Pla­ne­ten­kör­per. Die­se Pla­ne­ten wären koh­len­stoff­arm, genau wie die Erde. Den­noch wür­de die auf Koh­len­stoff basie­ren­de Che­mie wahr­schein­lich zumin­dest ihre ursprüng­li­chen Atmo­sphä­ren domi­nie­ren, die durch Schei­ben­gas gespeist wer­den. Daher bie­ten Ster­ne mit sehr gerin­ger Mas­se mög­li­cher­wei­se nicht die bes­ten Vor­aus­set­zun­gen, um erd­ähn­li­che Pla­ne­ten zu finden.

JWST entdeckt eine Fülle von organischen Molekülen

Inter­ak­ti­ves Spek­trum: Fol­gen Sie dem Link, um zu erkun­den, wel­che che­mi­schen Signa­tu­ren zusam­men­ge­nom­men das gemes­se­ne Spek­trum der Schei­be um den sehr mas­se­ar­men Stern ISO-ChaI 147 erge­ben. Sie kön­nen ein­zel­ne Mole­kü­le hin­zu­fü­gen und ent­fer­nen, um ihren Ein­fluss auf das Spek­trum zu ent­de­cken. mehr

Um die Gase der Schei­be zu iden­ti­fi­zie­ren, nutz­te das Team den MIRI-Spek­tro­gra­fen, um die von der Schei­be emp­fan­ge­ne Infra­rot­strah­lung in Signa­tu­ren klei­ner Wel­len­län­gen­be­rei­che zu zer­le­gen – ähn­lich wie sich das Son­nen­licht in einem Regen­bo­gen auf­spal­tet. Auf die­se Wei­se arbei­te­te das Team eine Fül­le von Spu­ren her­aus, die ein­zel­nen Mole­kü­len zuge­ord­net wer­den können.

Das Ergeb­nis ist, dass die beob­ach­te­te Schei­be die reich­hal­tigs­te Koh­len­was­ser­stoff­che­mie ent­hält, die bis­her in einer pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be beob­ach­tet wur­de, bestehend aus 13 koh­len­stoff­hal­ti­gen Mole­kü­len bis zu Ben­zol (C₆H₆). Dar­un­ter befin­det sich auch der ers­te Nach­weis von extra­so­la­rem Ethan (C₂H₆), dem größ­ten voll­stän­dig gesät­tig­ten Koh­len­was­ser­stoff, der außer­halb des Son­nen­sys­tems ent­deckt wur­de. Außer­dem gelang es dem Team, Ethen (C₂H₄), Pro­pin (C₃H₄) und das Methyl­ra­di­kal CH₃ zum ers­ten Mal in einer pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be nach­zu­wei­sen. Dage­gen zeig­ten die Daten kei­nen Hin­weis auf Was­ser oder Koh­len­mon­oxid in der Scheibe.

Den Blick auf Scheiben um sehr massearme Sterne schärfen

Als Nächs­tes will das Wis­sen­schafts­team sei­ne Stu­die auf eine grö­ße­re Stich­pro­be sol­cher Schei­ben um sehr mas­se­ar­me Ster­ne aus­wei­ten, um bes­ser zu ver­ste­hen, wie häu­fig sol­che exo­ti­schen, koh­len­stoff­rei­chen Regio­nen sind, in denen sich ter­res­tri­sche Pla­ne­ten bil­den. „Durch die Aus­wei­tung unse­rer Stu­die wer­den wir bes­ser ver­ste­hen, wie sich die­se Mole­kü­le bil­den kön­nen“, erklärt Tho­mas Hen­ning. „Zudem fin­den wir in den Webb-Daten meh­re­re Merk­ma­le, die wir bis­lang kei­nen che­mi­schen Ver­bin­dun­gen zuord­nen kön­nen. Daher ist zusätz­li­che Spek­tro­sko­pie erfor­der­lich, um unse­re Beob­ach­tun­gen voll­stän­dig zu verstehen.“

MN

Hintergrundinformationen

Die Stu­die wur­de im Rah­men des ERC Advan­ced Grant „Ori­g­ins – From Pla­net-Forming Disks to Giant Pla­nets“ finan­ziert (Grant ID: 832428, For­schungs­lei­ter: Tho­mas Hen­ning, DOI: 10.3030/832428).

Die an die­ser Stu­die betei­lig­te For­schungs­team des MPIA besteht aus Tho­mas Hen­ning, Mat­thi­as Sam­land, Giu­lia Perot­ti, Jero­en Bouw­man, Sil­via Scheit­hau­er, Ric­car­do Fran­ce­schi, Jür­gen Schrei­ber und Kam­ber Schwartz.

Wei­te­re For­schen­de sind Adi­tya Arab­ha­vi (Uni­ver­si­tät Gro­nin­gen, Nie­der­lan­de [Gro­nin­gen]), Inga Kamp (Gro­nin­gen), Ewi­ne van Dis­hoeck (Uni­ver­si­tät Lei­den, Nie­der­lan­de und Max-Planck-Insti­tut für extra­ter­res­tri­sche Phy­sik, Gar­ching, Deutsch­land), Valen­tin Chris­tiaens (Uni­ver­si­tät Lüt­tich, Bel­gi­en) und Agnes Per­rin (Labo­ra­toire de Météo­ro­lo­gie Dynamique/IPSL CNRS, Palai­se­au, Frankreich)

Das MIRI-Kon­sor­ti­um besteht aus den ESA-Mit­glied­staa­ten Bel­gi­en, Däne­mark, Deutsch­land, Frank­reich, Irland, den Nie­der­lan­den, Spa­ni­en, Schwe­den, der Schweiz und dem Ver­ei­nig­ten König­reich. Die natio­na­len Wis­sen­schafts­or­ga­ni­sa­tio­nen finan­zie­ren die Arbeit des Kon­sor­ti­ums – in Deutsch­land die Max-Planck-Gesell­schaft (MPG) und das Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR). Die betei­lig­ten deut­schen Insti­tu­tio­nen sind das Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie in Hei­del­berg, die Uni­ver­si­tät Köln und die Hen­soldt AG in Ober­ko­chen, ehe­mals Carl Zeiss Optronics.

Das JWST ist das welt­weit füh­ren­de welt­raum­ge­stütz­te wis­sen­schaft­li­che Obser­va­to­ri­um. Es ist ein inter­na­tio­na­les Pro­gramm, das von der NASA gemein­sam mit ihren Part­nern, der ESA (Euro­päi­sche Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on) und der CSA (Kana­di­sche Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on), gelei­tet wird.

A. M. Arab­ha­vi, I. Kamp, Th. Hen­ning, E. F. van Dis­hoeck, V. Chris­tiaens, et al. – Abun­dant hydro­car­bons in the disk around a very-low-mass star Sci­ence (2024)

Link zur MPIA-Pres­se­mit­tei­lung