SPHERE enthüllt Strukturen in fernen Trümmerscheiben

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Es ist eine regelrechte Galerie von Trümmerscheiben um Exoplaneten, also Planeten jenseits unseres Sonnensystems: 51 schwierig zu beobachtende Objekte, von denen das SPHERE-Instrument am Very Large Telescope der ESO detailreiche Bilder erstellen konnte. Gaël Chauvin (Max-Planck-Institut für Astronomie), Projektwissenschaftler des SPHERE-Instruments und Koautor der zugehörigen Veröffentlichung sagt: „Dieser Datensatz ist ein astronomischer Schatz. Er bietet außergewöhnliche Einblicke in die Eigenschaften von Trümmerscheiben und ermöglicht Rückschlüsse auf kleinere Körper wie Asteroiden und Kometen in diesen Systemen, die auf direktem Wege nicht zu beobachten sind.”

In unserem eigenen Sonnensystem gibt es neben der Sonne, den Planeten und Zwergplaneten wie Pluto eine verwirrende Vielzahl sogenannter Kleinkörper. Besonders interessant sind Kleinkörper mit Durchmessern zwischen rund einem und mehreren hunderten Kilometern. Solche Objekte heißen Kometen, wenn sie (zumindest gelegentlich) Gas und Staub verlieren und dadurch charakteristische sichtbare Strukturen wie einen Schweif bilden, und Asteroiden, wenn sie dies nicht tun. Kleinkörper geben uns Einblicke in die früheste Geschichte des Sonnensystems: In der Entwicklung von Staubkörnern zu vollwertigen Planeten sind sogenannte Planetesimale eine Übergangsstufe, und die Asteroiden und Kometen sind Überreste dieser Entwicklung: Planetesimale, die es nicht geschafft haben, sich zu größeren Planeten zu entwickeln. Kleinkörper sind damit (etwas) modifizierte Überbleibsel des Baumaterials für Planeten wie unsere Erde!

Kleinkörper in fernen Planetensystemen

Aktuell kennt die Astronomie mehr als 6000 Exoplaneten, also Planeten, die andere Sterne umkreisen als die Sonne. Das zeichnet ein spannendes Bild von der Vielfalt der Planeten im Universum, und vom Platz unseres eigenen Sonnensystems im Gesamtbild. Tatsächlich Bilder von solchen Exoplaneten zu machen ist allerdings sehr schwierig. Derzeit gibt es Abbildungen von weniger als 100 Exoplaneten, und selbst große Planeten erscheinen auf jenen Bildern als strukturlose, kleine Flecken. „Es scheint schlichtweg unmöglich, anhand von Bildern direkte Hinweise auf Kleinkörper in einem fernen Planetensystem zu finden. Und auch die indirekten Methoden zum Nachweis von Exoplaneten sind keine Hilfe“, sagt Dr. Julien Milli, Astronom an der Universität Grenoble Alpes und Mitautor der Studie.

Einen Ausweg, doch noch Informationen über solche fernen Kleinkörper zu erlangen, kommt ironischerweise von noch deutlich kleineren Objekten. Insbesondere in jüngeren Planetensystemen kollidieren Planetesimale regelmäßig miteinander. Manchmal schließen sie sich dabei zu einem größeren Körper zusammen, manchmal fliegen sie ihrer getrennten Wege. Bei den Kollisionen entstehe große Mengen an neuem Staub, und dieser Staub kann mit geeigneten Instrumenten auch über große Entfernungen hinweg beobachtet werden: Zerlegt man ein Objekt in kleinere Bestandteile, bleibt das Gesamtvolumen gleich, aber die Gesamtoberfläche nimmt zu. Teilt man einen Asteroiden mit einem Durchmesser von einem Kilometer in Staubkörner mit einem Durchmesser von je einem Mikrometer (= Millionstel Meter), vergrößert sich die Gesamtoberfläche um das Milliardenfache! Das ist ein wesentlicher Grund, warum es möglich ist, Trümmerscheiben um junge Sterne anhand des von ihnen reflektierten Sternenlichts zu beobachten. Aus den Staub-Beobachtungen lassen sich dann wiederum Rückschlüsse auf die Kleinkörper des Planetensystems ziehen.

Trümmerscheiben beobachten

Mit der Zeit wird so eine Trümmerscheibe immer unscheinbarer: Immer mehr Staub wird durch Strahlungsdruck aus dem System geblasen, von Planetesimalen oder Planeten eingefangen oder trudelt in den Zentralstern. Unser eigenes Sonnensystem liefert ein Beispiel dafür, was nach Milliarden von Jahren übrig bleibt: In diesem Fall im Wesentlichen zwei Planetesimalengürtel, nämlich den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und ein Reservoir von Kometen außerhalb der Umlaufbahnen der Riesenplaneten, das Kuipergürtel heißt. Dazu kommt noch etwas Staub in der Bahnebene des Sonnensystems. Bei sehr dunklem Himmel kann man kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang mit bloßem Auge das von diesem Staub reflektierte Licht sehen, das sogenannte Zodiakallicht.

Von einem außerirdischen Observatorium aus wären all diese Details schwer bis gar nicht zu erkennen. Während der ersten 50 Millionen Jahre in der Geschichte eines Planetensystems ist die Lage dagegen ungleich günstiger. Sind solche jüngeren Systeme nicht allzu weit entfernt, so zeigt die jetzt veröffentlichte Studie, dann sind sie mit den besten heute verfügbaren Teleskopen beobachtbar. Was nicht heißt, dass die technischen Herausforderungen dieser Art von Beobachtung nicht enorm wären: Ein Bild einer Trümmerscheibe anzufertigen ist so, als würde man versuchen, aus mehreren Kilometern Abstand ein kleines Wölkchen von Zigarettenrauch zu fotografieren, das direkt neben einem hellen Stadionflutlicht schwebt. So etwas ist nur mit spezialisierten Instrumenten möglich, und die erste Wahl dafür ist das SPHERE-Instrument, das im Frühjahr 2014 an einem der Very Large Telescopes (VLT) der ESO in Betrieb genommen wurde.

Sternenlicht ausblenden

Das Grundprinzip von SPHERE ist einfach. Blendet uns im Alltag die Sonne, dann halten wir unsere Hand vor die Augen, um das Sonnenlicht auszublenden. So können wir Objekte sehen, die andernfalls vom Sonnenlicht überstrahlt werden würden. Beobachtet SPHERE einen Exoplaneten oder eine Trümmerscheibe, dann verwendet es einen sogenannten Koronographen, um das Licht des Sterns abzublocken: eine kleine Scheibe, die in den Strahlengang eingesetzt wird und den größten Teil des Sternenlichts abschattet. Der Haken dabei ist, dass dieses einfache Verfahren in der Praxis nur funktioniert, wenn die Bildgebung sehr präzise und stabil ist!

Um das zu gewährleisten, nutzt SPHERE eine extreme Version der adaptiven Optik. Dabei werden die unvermeidbaren Störungen, die durch das Durchdringen des Lichts durch die Erdatmosphäre verursacht werden, in Echtzeit analysiert und durch den Einsatz eines verformbaren Spiegels weitgehend kompensiert. Ein weiterer, optionaler Teil von SPHERE filtert „polarisiertes” Licht heraus. Diese Eigenschaft hat von Staubpartikeln reflektiertes Licht, aber Sternenlicht hat sie nicht. Insgesamt ist SPHERE auf diese Weise besonders gut geeignet dafür, Bilder von Trümmerscheiben zu liefern.

Die Trümmerscheiben-Galerie von SPHERE

Der jetzt erschienene Fachartikel präsentiert eine ganze Galerie von Bildern Trümmerscheiben, die mit SPHERE aus dem von kleinen Staubpartikeln jener Scheiben reflektierten Sternenlicht erstellt wurden. „Um diese Sammlung zu erhalten, haben wir Daten aus Beobachtungen von 161 nahen, jungen Sternen verarbeitet, deren Infrarotemissionen ein starkes Indiz für das Vorhandensein einer Trümmerscheibe sind“, sagt Natalia Engler (ETH Zürich), die Erstautorin der Studie. „In 51 Fällen konnten wir ein Bild der Scheiben erstellen. Die Bilder zeigen Trümmerscheiben mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften – einige kleiner, andere größer, einige von der Seite gesehen und andere fast frontal – und einer beträchtlichen Vielfalt an Ringstrukturen. Vier der Scheiben waren noch nie zuvor abgebildet worden.“

Will man die Eigenschaften einer Klasse von Objekten erforschen, muss man eine Stichprobe mit hinreichend vielen Beispielobjekten untersuchen. Die Bilder der 51 Trümmerscheiben ermöglichen diese Art von Analyse, und offenbaren eine Reihe systematischer Trends: Wenn ein junger Stern massereicher ist, hat auch seine Trümmerscheibe tendenziell mehr Masse. Dasselbe gilt für Trümmerscheiben, bei denen sich der Großteil des Materials in größerer Entfernung vom Zentralstern befindet.

Asteroidengürtel und Kuipergürtel in Exoplanetensystemen

Am interessantesten an den SPHERE-Trümmerscheiben dürften die Strukturen innerhalb der Scheiben sein. Auf einer Reihe von Bildern sind Scheiben zu sehen, die eine konzentrische ring- oder bandartige Struktur aufweisen: das Scheibenmaterial ist in bestimmten Abstandsbereichen vom Zentralstern konzentriert, andere Abstandsbereiche sind weitgehend leer. Die Verteilung kleiner Körper in unserem eigenen Sonnensystem weist eine ähnliche Struktur auf: Die Kleinkörper befinden sich bevorzugt im Asteroidengürtel (Asteroiden) bzw. im Kuipergürtel (Kometen).

Die Ringstrukturen dürften mit der Anwesenheit von Planeten, insbesondere von Riesenplaneten, zu tun haben, die ihre Umgebung von Kleinkörpern “freifegen”. Einige der entsprechenden Riesenplaneten waren tatsächlich bereits beobachtet worden. In anderen Fällen weisen Merkmale wie scharfe Innenkanten von Ringen oder Scheibenasymmetrien auf noch nicht beobachtete Planeten hin. Damit liefert die SPHERE-Scheibengalerie gleichzeitig eine Liste lohnender möglicher Beobachtungsziele: Das Weltraumteleskop JWST oder das Extremely Large Telescope(ELT), das derzeit in Chile von der ESO konstruiert wird, sollten in nicht allzu ferner Zukunft Bilder von den Planeten liefern können, die jene Strukturen erzeugen.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden veröffentlicht als Natalia Engler et al., „Characterization of debris disks observed with SPHERE“, in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics. DOI: 10.1051÷0004−6361÷202554953

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Gaël Chauvin, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland und Markus Feldt in Zusammenarbeit mit Natalia Engler (ETH Zürich), Julien Milli (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes), Nicole Pawellek (Universität Wien), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes) und anderen.

Link zur Pressemitteilung des MPIA