Planetenscheiben im frühen Universum leben länger

Im Jahr 2003 lie­fer­te das Welt­raum­te­le­skop Hub­ble der NASA/ESA den Beweis für einen mas­se­rei­chen Pla­ne­ten um einen sehr alten Stern, der fast so alt ist wie das Uni­ver­sum. Sol­che Ster­ne besit­zen nur gerin­ge Men­gen an schwe­re­ren Ele­men­ten, die die Bau­stei­ne von Pla­ne­ten sind. Dies deu­tet dar­auf hin, dass sich zum Teil Jupi­ter­gro­ße Pla­ne­ten gebil­det haben, als unser Uni­ver­sum noch sehr jung war, und dass die­se Pla­ne­ten Zeit hat­ten, sich aus ihrer über­ra­schend gro­ßen Urschei­be zu bil­den. Aber wie? Das war rätselhaft.

Um die­se Fra­ge zu beant­wor­ten, unter­such­ten For­scher mit­hil­fe des NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope Ster­ne in einer nahe­ge­le­ge­nen Gala­xie, in der es, ähn­lich wie im frü­hen Uni­ver­sum, an gro­ßen Men­gen an schwe­ren Ele­men­ten man­gelt. Sie fan­den her­aus, dass eini­ge Ster­ne dort nicht nur Pla­ne­ten bil­den­de Schei­ben haben, son­dern dass die­se Schei­ben auch lang­le­bi­ger sind als die, die man um jun­ge Ster­ne in unse­rer Milch­stra­ße sieht.

„Mit Webb haben wir eine wirk­lich star­ke Bestä­ti­gung des­sen, was wir mit Hub­ble gese­hen haben, und wir müs­sen über­den­ken, wie wir die Pla­ne­ten­ent­ste­hung und die frü­he Ent­wick­lung im jun­gen Uni­ver­sum model­lie­ren“, sag­te Stu­di­en­lei­ter Gui­do De Mar­chi vom Euro­päi­schen Zen­trum für Welt­raum­for­schung und ‑tech­no­lo­gie der ESA Noor­dwi­jk, Niederlande.

Eine andere Umgebung in der Frühzeit

In der Früh­zeit des Uni­ver­sums bil­de­ten sich die Ster­ne haupt­säch­lich aus Was­ser­stoff und Heli­um und nur aus weni­gen schwe­re­ren Ele­men­ten wie Koh­len­stoff und Eisen, die erst spä­ter durch Super­no­va-Explo­sio­nen entstanden.

„Aktu­el­le Model­le sagen vor­aus, dass die Schei­ben um Ster­ne mit so weni­gen schwe­re­ren Ele­men­ten nur eine kur­ze Lebens­dau­er haben, und zwar so kurz, dass Pla­ne­ten nicht groß wer­den kön­nen“, sag­te Ele­na Sab­bi, die an der Webb-Stu­die mit­ge­wirkt hat und lei­ten­de Wis­sen­schaft­le­rin des Gemi­ni Obser­va­to­ry am NOIR­Lab der Natio­nal Sci­ence Foun­da­ti­on in Tuc­son ist. „Aber Hub­ble hat die­se Pla­ne­ten gese­hen. Was wäre also, wenn die Model­le nicht kor­rekt wären und die Schei­ben län­ger leben könnten?“

Um die­se Idee zu tes­ten, rich­te­ten die Wis­sen­schaft­ler Webb auf die Klei­ne Magel­lan­sche Wol­ke, eine Zwerg­ga­la­xie, die zu den nächs­ten Nach­barn der Milch­stra­ße gehört. Ins­be­son­de­re unter­such­ten sie den mas­se­rei­chen, stern­bil­den­den Hau­fen NGC 346, der eben­falls einen rela­ti­ven Man­gel an schwe­re­ren Ele­men­ten auf­weist. Der Hau­fen dien­te als nahe gele­ge­ner Stell­ver­tre­ter für die Unter­su­chung stel­la­rer Umge­bun­gen mit ähn­li­chen Bedin­gun­gen im frü­hen, fer­nen Universum.

Hub­ble-Beob­ach­tun­gen von NGC 346 aus der Mit­te der 2000er-Jah­re brach­ten vie­le etwa 20 bis 30 Mil­lio­nen Jah­re alte Ster­ne zuta­ge, die schein­bar immer noch Pla­ne­ten bil­den­de Schei­ben um sich her­um zu haben schie­nen. Dies wider­sprach der her­kömm­li­chen Annah­me, dass sich sol­che Schei­ben nach zwei oder drei Mil­lio­nen Jah­ren auf­lö­sen würden.

„Die Hub­ble-Ergeb­nis­se waren umstrit­ten, denn sie wider­spra­chen nicht nur empi­ri­schen Bewei­sen in unse­rer Gala­xie, son­dern auch den gän­gi­gen Model­len“, so De Mar­chi. „Das war fas­zi­nie­rend, aber ohne eine Mög­lich­keit, Spek­tren die­ser Ster­ne zu erhal­ten, konn­ten wir nicht wirk­lich fest­stel­len, ob wir Zeu­gen ech­ter Akkre­ti­on und des Vor­han­den­seins von Schei­ben oder nur künst­li­cher Effek­te waren.“

Dank Webbs Emp­find­lich­keit und Auf­lö­sung ver­fü­gen Wis­sen­schaft­ler nun über die ers­ten Spek­tren sich bil­den­der, son­nen­ähn­li­cher Ster­ne und ihrer unmit­tel­ba­ren Umge­bung in einer nahe­ge­le­ge­nen Galaxie.

„Wir sehen, dass die­se Ster­ne tat­säch­lich von Schei­ben umge­ben sind und selbst im rela­tiv hohen Alter von 20 oder 30 Mil­lio­nen Jah­ren immer noch dabei sind, Mate­ri­al zu ver­schlin­gen“, sag­te De Mar­chi. „Das bedeu­tet auch, dass Pla­ne­ten um die­se Ster­ne her­um mehr Zeit haben, sich zu bil­den und zu wach­sen, als in nahe­ge­le­ge­nen Stern­ent­ste­hungs­re­gio­nen unse­rer eige­nen Galaxie.“

Eine neue Art des Denkens

Die­se Erkennt­nis wider­legt frü­he­re theo­re­ti­sche Vor­her­sa­gen, wonach der Stern die Schei­be sehr schnell weg­bla­sen wür­de, wenn nur weni­ge schwe­re­re Ele­men­te im Gas um die Schei­be vor­han­den sind. Die Lebens­dau­er der Schei­be wäre also sehr kurz, sogar weni­ger als eine Mil­li­on Jah­re. Wenn aber eine Schei­be nicht lan­ge genug um den Stern her­um bleibt, damit die Staub­kör­ner zusam­men­kle­ben und grö­ße­re Bro­cken bil­den, die zum Kern eines Pla­ne­ten wer­den, wie kön­nen sich dann Pla­ne­ten bilden?

Die For­scher erklär­ten, dass es zwei ver­schie­de­ne Mecha­nis­men oder sogar eine Kom­bi­na­ti­on davon geben könn­te, damit sich Pla­ne­ten bil­den­de Schei­ben in Umge­bun­gen mit wenig schwe­re­ren Ele­men­ten hal­ten kön­nen. Um die Schei­be weg­bla­sen zu kön­nen, übt der Stern zunächst Strah­lungs­druck aus. Damit die­ser Druck wirk­sam ist, müss­ten sich im Gas Ele­men­te befin­den, die schwe­rer als Was­ser­stoff und Heli­um sind. Doch der mas­se­rei­che Stern­hau­fen NGC 346 ent­hält nur etwa zehn Pro­zent der schwe­re­ren Ele­men­te, die in der che­mi­schen Zusam­men­set­zung unse­rer Son­ne vor­kom­men. Viel­leicht dau­ert es ein­fach län­ger, bis ein Stern in die­sem Stern­hau­fen sei­ne Schei­be auflöst.

Die zwei­te Mög­lich­keit besteht dar­in, dass ein son­nen­ähn­li­cher Stern bei weni­gen schwe­re­ren Ele­men­ten aus einer grö­ße­ren Gas­wol­ke ent­ste­hen müss­te. Eine grö­ße­re Gas­wol­ke erzeugt eine grö­ße­re Schei­be. Es gibt also mehr Mas­se in der Schei­be und daher wür­de es län­ger dau­ern, die Schei­be weg­zu­bla­sen, selbst wenn der Strah­lungs­druck auf die glei­che Wei­se wir­ken würde.

„Wenn mehr Mate­rie um die Ster­ne her­um ist, dau­ert die Akkre­ti­on län­ger“, sagt Sab­bi. „Die Schei­ben brau­chen zehn­mal län­ger, um zu ver­schwin­den. Das hat Aus­wir­kun­gen dar­auf, wie sich ein Pla­net bil­det und wel­che Art von Auf­bau man in die­sen unter­schied­li­chen Umge­bun­gen haben kann. Das ist sehr aufregend.“

Die Arbeit des wis­sen­schaft­li­chen Teams erscheint in der Aus­ga­be des Astro­phy­si­cal Jour­nal vom 16. Dezem­ber 2024.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men eines inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ab­kom­mens hat die ESA den Start des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 durch­ge­führt. In Zusam­men­ar­beit mit ihren Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­ser­vices durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te auch den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Instru­ments für das mitt­le­re Infra­rot (MIRI) zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um aus natio­nal finan­zier­ten euro­päi­schen Insti­tu­ten (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­tät von Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen der NASA, der ESA und der kana­di­schen Welt­raum­be­hör­de (CSA).

Links

• Ver­öf­fent­li­chung auf der STScI-Website
• Ver­öf­fent­li­chung auf der ESA-Website

Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung weic2430