Webb enthüllt verborgene Details in jungen Sternensystemen

Pla­ne­ten bil­den­de Schei­ben, Stru­del aus Gas und Staub, die um jun­ge Ster­ne wir­beln, sind Brut­stät­ten, aus denen Pla­ne­ten­sys­te­me wie unser Son­nen­sys­tem ent­ste­hen. Astro­no­men haben neue Details über Gas­strö­me ent­deckt, die die­se Schei­ben im Lau­fe der Zeit for­men und gestal­ten. Die beob­ach­te­te ver­schach­tel­te Struk­tur die­ser Strö­me bestä­tigt einen seit Lan­gem theo­re­tisch ange­nom­me­nen Mecha­nis­mus, der es dem Stern ermög­licht, durch das Abzap­fen von Schei­ben­ma­te­ri­al zu wachsen.

Jede Sekun­de wer­den im sicht­ba­ren Uni­ver­sum mehr als 3.000 Ster­ne gebo­ren. Vie­le sind von etwas umge­ben, das Astro­no­men eine pro­to­pla­ne­ta­re Schei­be nen­nen – eine wir­beln­de „Schei­be“ aus hei­ßem Gas und Staub, die das Wachs­tum des Zen­tral­sterns för­dert und die Bau­stei­ne für neue Pla­ne­ten lie­fert. Die genau­en Pro­zes­se, die zur Ent­ste­hung von Ster­nen und Pla­ne­ten­sys­te­men füh­ren, sind jedoch noch immer kaum verstanden.

JWST nimmt Scheibenwinde unter die Lupe

Ein Team von Astro­nom­in­nen und Astro­no­men unter der Lei­tung von For­schern der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na, unter­stützt von Wis­sen­schaft­lern des Max-Planck-Insti­tuts für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­del­berg, nutz­te das James Webb Space Telescope (JWST), um eini­ge der detail­lier­tes­ten Ein­bli­cke in die Kräf­te zu erhal­ten, die pro­to­pla­ne­ta­re Schei­ben for­men. Die Beob­ach­tun­gen geben Auf­schluss dar­über, wie unser Son­nen­sys­tem vor 4,6 Mil­li­ar­den Jah­ren aus­ge­se­hen haben könnte.

Ins­be­son­de­re konn­te das Team soge­nann­te Schei­ben­win­de in noch nie dage­we­se­nem Detail­reich­tum nach­zeich­nen. Die­se Win­de sind Gas­strö­me, die von der pla­ne­ten­bil­den­den Schei­be in den Welt­raum hin­aus­bla­sen. Sie wer­den haupt­säch­lich durch Magnet­fel­der ange­trie­ben und kön­nen sich in nur einer Sekun­de über Dut­zen­de Kilo­me­ter aus­brei­ten. Die in Natu­re Astro­no­my ver­öf­fent­lich­ten Ergeb­nis­se des For­schungs­teams hel­fen Astro­no­men, bes­ser zu ver­ste­hen, wie jun­ge Pla­ne­ten­sys­te­me ent­ste­hen und sich entwickeln.

Laut der Haupt­au­to­rin des Arti­kels, Ila­ria Pas­cuc­ci, Pro­fes­so­rin am Lunar and Pla­ne­ta­ry Labo­ra­to­ry der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na, ist einer der wich­tigs­ten Pro­zes­se, die in einer pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be ablau­fen, wenn der Stern Mate­rie aus sei­ner umge­ben­den Schei­be ver­schlingt, was in der Astro­no­mie als Akkre­ti­on bezeich­net wird.

„Wie ein Stern Mas­se ansam­melt, 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“, so Pas­cuc­ci. „Die genau­en Mecha­nis­men, die dabei zum Tra­gen kom­men, sind bis­lang nicht ver­stan­den, aber wir glau­ben, dass Win­de, die von Magnet­fel­dern über den größ­ten Teil der Schei­ben­ober­flä­che ange­trie­ben wer­den, eine essen­zi­el­le Rol­le spie­len könnten.“

Magnetisierte Scheibenwinde fördern das Wachstum von Sternen

Jun­ge Ster­ne wach­sen, indem sie Gas aus der umge­ben­den Schei­be anzie­hen, aber damit dies gesche­hen kann, muss das Gas zunächst einen Teil sei­ner Wider­stands­fä­hig­keit gegen Geschwin­dig­keits­än­de­run­gen ver­lie­ren. Andern­falls wür­de das Gas den Stern stän­dig umkrei­sen und nie­mals auf ihn her­un­ter­fal­len. In der Astro­phy­sik wird die­ser Pro­zess als „Ver­lust des Dreh­im­pul­ses“ bezeich­net, aber wie genau dies geschieht, ist schwer zu bestimmen.

Um bes­ser zu ver­ste­hen, wie der Dreh­im­puls in einer pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be funk­tio­niert, hilft es, sich eine Eis­kunst­läu­fe­rin auf dem Eis vor­zu­stel­len: Wenn sie ihre Arme an den Kör­per anlegt, dreht sie sich schnel­ler, wäh­rend sie ihre Rota­ti­on ver­lang­samt, wenn sie die Arme aus­streckt. Da sich ihre Mas­se nicht ändert, bleibt der Dreh­im­puls gleich.

Damit Akkre­ti­on statt­fin­det, muss Gas über die Schei­be hin­weg den Dreh­im­puls ver­lie­ren. Den­noch kön­nen sich Astro­phy­si­ke­rin­nen und ‑phy­si­ker der­zeit nicht eini­gen, wie genau dies geschieht. In den letz­ten Jah­ren haben sich magne­tisch ange­trie­be­ne Schei­ben­win­de als wesent­li­che Akteu­re her­aus­ge­stellt, die Gas von der Schei­ben­ober­flä­che weg­lei­ten – und damit auch den Dreh­im­puls – und es dem übrig geblie­be­nen Gas ermög­li­chen, lang­sa­mer zu wer­den, sich nach innen zu bewe­gen und schließ­lich auf den Stern zu fallen.

Wie man zwischen Windmechanismen unterscheidet

Da auch ande­re Pro­zes­se die pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­ben for­men, ist es laut Tra­cy Beck, der zwei­ten Autorin des Arti­kels vom Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te der NASA, von ent­schei­den­der Bedeu­tung, zwi­schen den ver­schie­de­nen Phä­no­me­nen unter­schei­den zu können.

Wäh­rend das Magnet­feld des Sterns Mate­ri­al am inne­ren Rand der Schei­be in einem als X‑Wind bezeich­ne­ten Phä­no­men nach außen drückt, wer­den die äuße­ren Tei­le der Schei­be durch inten­si­ves Ster­nen­licht abge­tra­gen, was zu soge­nann­ten ther­mi­schen Win­den führt, die mit viel gerin­ge­ren Geschwin­dig­kei­ten wehen. Die hohe Emp­find­lich­keit und Auf­lö­sung des JWST waren ide­al geeig­net, um zwi­schen dem magnet­feld­ge­trie­be­nen Wind, dem ther­mi­schen Wind und dem X‑Wind zu unterscheiden.

Ein ent­schei­den­des Merk­mal, das die magne­tisch ange­trie­be­nen von den X‑Winden unter­schei­det, ist, dass sie sich wei­ter außen befin­den und sich über grö­ße­re Regio­nen erstre­cken, ein­schließ­lich der Zone mit den inne­ren Gesteins­pla­ne­ten unse­res Son­nen­sys­tems – etwa zwi­schen Erde und Mars. Die­se Win­de erstre­cken sich auch wei­ter ober­halb der Schei­be als ther­mi­sche Win­de und errei­chen die hun­dert­fa­che Ent­fer­nung zwi­schen Erde und Sonne.

„Wir hat­ten bereits anhand inter­fe­ro­me­tri­scher Beob­ach­tun­gen im Radio­wel­len­län­gen­be­reich Hin­wei­se auf einen sol­chen Wind gefun­den“, betont der MPIA-Astro­nom Dmit­ry Seme­nov. Er ist auch Mit­au­tor der zugrun­de­lie­gen­den Stu­die. Die­se Beob­ach­tun­gen konn­ten jedoch nicht die gesam­te Struk­tur des Schei­ben­winds unter­su­chen, geschwei­ge denn detail­liert abbil­den. Ins­be­son­de­re die ver­schach­tel­te Struk­tur der ver­schie­de­nen Wind­kom­po­nen­ten, ein Kenn­zei­chen die­ser Schei­ben­win­de, lag außer­halb der Mög­lich­kei­ten der Beob­ach­tun­gen. Im Gegen­satz dazu haben die neu­en JWST-Beob­ach­tun­gen die­se Struk­tur zwei­fels­frei auf­ge­deckt. Die beob­ach­te­te Mor­pho­lo­gie ent­spricht den Erwar­tun­gen an einen magne­tisch ange­trie­be­nen Scheibenwind.

„Unse­re Beob­ach­tun­gen deu­ten stark dar­auf hin, dass wir die ers­ten detail­lier­ten Bil­der der Win­de erhal­ten haben, die den Dreh­im­puls abfüh­ren und das seit Lan­gem bestehen­de Pro­blem der Ent­ste­hung von Ster­nen und Pla­ne­ten­sys­te­men lösen kön­nen“, sagt Pascucci.

Für ihre Stu­die wähl­ten die For­scher vier pro­to­pla­ne­ta­re Schei­ben­sys­te­me aus, die von der Erde aus alle von der Sei­te betrach­tet wer­den. Durch ihre Aus­rich­tung konn­ten Staub und Gas in der Schei­be als Blen­de fun­gie­ren und einen Teil des Lichts des hel­len Zen­tral­sterns abschwä­chen, das sonst die Win­de über­strahlt hätte.

JWSTs NIRSpec macht verschachtelte Windstruktur sichtbar

Das Team konn­te die ver­schie­de­nen Wind­schich­ten nach­ver­fol­gen, indem es den NIR­Spec-Detek­tor von JWST auf unter­schied­li­che Ato­me und Mole­kü­le in bestimm­ten Über­gangs­zu­stän­den abstimm­te. NIR­Spec ist der hoch­auf­lö­sen­de Nahin­fra­rot-Spek­tro­graf des JWST. Die Astro­no­men erhiel­ten räum­lich auf­ge­lös­te Spek­tral­in­for­ma­tio­nen über das gesam­te Sicht­feld, indem sie die Inte­gral Field Unit (IFU) des Spek­tro­gra­fen ver­wen­de­ten, die im Wesent­li­chen ein Ras­ter ist, das bestimm­te Posi­tio­nen am Him­mel betrach­tet. Auf die­se Wei­se gene­rier­ten die For­schen­den Bil­der bei ver­schie­de­nen cha­rak­te­ris­ti­schen Wel­len­län­gen, die jeweils ver­gleichs­wei­se grob, aber den­noch gut genug waren, um die Form zu erkennen.

Beob­ach­te­te Gas­jet- und Wind­struk­tur des Pro­tos­terns HH 30, mit Abstän­den in astro­no­mi­schen Ein­hei­ten (au), dem mitt­le­ren Abstand zwi­schen Son­ne und Erde. Die Far­ben zei­gen Beob­ach­tun­gen ver­schie­de­ner Gas­kom­po­nen­ten, die bei unter­schied­li­chen Wel­len­län­gen nach­ge­wie­sen wur­den. Die blau­en, grü­nen und grau­en Far­ben ste­hen für mit dem JWST gemach­te Ent­de­ckun­gen. Sie zei­gen ioni­sier­tes Eisen (blau), mole­ku­la­ren Was­ser­stoff (grün) und Koh­len­mon­oxid (graue Linie). Daten von einer Beob­ach­tung des Koh­len­mon­oxid­mo­le­küls, die mit dem boden­ge­stütz­ten ALMA-Radio­in­ter­fe­ro­me­ter durch­ge­führt wur­de, ist rot wie­der­ge­ge­ben. Die ver­schach­tel­te Struk­tur ist sicht­bar und erstreckt sich über einen wei­ten Bereich in der Schei­be­ne­be­ne, die auf einen ver­ti­ka­len Ver­satz von null ein­ge­stellt ist. Die Pixel zei­gen den räum­li­chen Abstand der NIR­Spec-IFU an. 

Die Beob­ach­tun­gen offen­bar­ten eine kom­ple­xe, drei­di­men­sio­na­le Struk­tur eines zen­tra­len Jets, der in einer kegel­för­mi­gen Hül­le aus Win­den ein­ge­bet­tet ist, die aus immer grö­ße­ren Abstän­den in der Schei­be stam­men, ähn­lich einer Zwie­bel­scha­len­struk­tur. Laut den For­schen­den war eine wich­ti­ge neue Erkennt­nis der sich wie­der­ho­len­de Befund eines aus­ge­präg­ten zen­tra­len Lochs in den Kegeln, das durch mole­ku­la­re Win­de in jeder der vier Schei­ben gebil­det wird.

Als Nächs­tes möch­te das Team um Pas­cuc­ci die­se Beob­ach­tun­gen auf wei­te­re pro­to­pla­ne­ta­re Schei­ben aus­wei­ten, um bes­ser zu ver­ste­hen, wie häu­fig die beob­ach­te­ten Schei­ben­wind­struk­tu­ren im Uni­ver­sum vor­kom­men und wie sie sich entwickeln.

„Wir glau­ben, dass sie weit­ver­brei­tet sein könn­ten, aber bei vier Objek­ten ist das schwer zu sagen“, erläu­tert Pas­cuc­ci. „Wir wol­len mit dem JWST eine grö­ße­re Stich­pro­be erhal­ten und dann auch sehen, ob wir Ver­än­de­run­gen in die­sen Win­den fest­stel­len kön­nen, wenn sich Ster­ne bil­den und Pla­ne­ten entstehen.“

Hintergrundinformationen

Die an die­ser Stu­die betei­lig­te MPIA-Team besteht aus Dmit­ry Seme­nov und Kam­ber Schwarz.

Wei­te­re Mit­glie­der des For­schungs­teams sind Ila­ria Pas­cuc­ci (Lunar and Pla­ne­ta­ry Labo­ra­to­ry, Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na, Tuc­son, USA [UofA], Stu­di­en­lei­tung), Tra­cy L. Beck (Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te, Bal­ti­more, USA), Syl­vie Cabrit (Obser­va­toire de Paris, LERMA, CNRS, Paris, Frank­reich) und Naman S. Bajaj (UofA).

NIR­Spec ist Teil des Bei­trags der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on (ESA) zur Webb-Mis­si­on, das von einem Kon­sor­ti­um euro­päi­scher Unter­neh­men unter der Lei­tung von Air­bus Defence and Space (ADS) gebaut wur­de. Das God­dard Space Flight Cen­ter der NASA stell­te zwei Teil­sys­te­me (Detek­to­ren und Mikro­blen­den) zur Ver­fü­gung. Das MPIA war für die Beschaf­fung der elek­tri­schen Kom­po­nen­ten der NIR­Spec-Git­ter­rä­der verantwortlich.

JWST ist das welt­weit füh­ren­de Obser­va­to­ri­um für Welt­raum­for­schung. Es han­delt sich um ein inter­na­tio­na­les Pro­gramm, das von der NASA gemein­sam mit ihren Part­nern ESA (Euro­päi­sche Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on) und CSA (Kana­di­sche Welt­raum­agen­tur) gelei­tet wird.

Die Finan­zie­rung die­ser Arbeit wur­de von der NASA und dem Euro­päi­schen For­schungs­rat bereitgestellt.

Die­ser Text basiert weit­ge­hend auf einer von Dani­el Stol­te ver­fass­ten Pres­se­mit­tei­lung der Uni­ver­si­ty of Arizona.

MN/DS

Links

Pres­se­mit­tei­lung der Uni­ver­si­ty of Arizona

Link zur MPIA-Pres­se­mit­tei­lung