Zerstörerische Kollisionen in einem jungen Planetensystem

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Astronominnen und Astronomen, darunter Bin Ren vom Max-Planck-Institut für Astronomie, haben mit dem Hubble-Weltraumteleskop die Folgen katastrophaler Kollisionen zwischen großen Gesteinskörpern in einem sich entwickelnden Planetensystem um den Stern Fomalhaut beobachtet. Diese Ereignisse entsprechen dem anerkannten Modell, wonach Planetesimale, Asteroiden und Kometen miteinander kollidieren und dabei Trümmer erzeugen, die zur Entstehung von Planeten beitragen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass auch das junge Sonnensystem eine Phase intensiver Einschläge durchlief, in der Trümmer dieser Kollisionen später die junge Erde, den Mond und die anderen inneren Planeten bombardierten.

„Zum ersten Mal habe ich gesehen, wie ein Lichtpunkt aus dem Nichts in einem extrasolaren Planetensystem auftaucht“, sagt Paul Kalas, leitender Wissenschaftler an der University of California in Berkeley, USA. „In unseren früheren Hubble-Aufnahmen war er nicht zu sehen. Wir schließen daraus, dass wir Zeugen einer gewaltigen Kollision zwischen zwei massereichen Objekten und die Entstehung einer riesigen Trümmerwolke wurden. In unserem Sonnensystem geschieht so etwas heute nicht mehr.“

Kollision Planetensimal — Diese künstlerische Darstellung zeigt die Kollision zweier Planetesimale im jungen, sich entwickelnden Planetensystem Fomalhaut. Während solcher Kollisionen können beide Objekte zerstört und in kleine Brocken zersprengt werden. Diese Trümmer können auf andere Himmelskörper im Planetensystem einschlagen. – Credit: © Thomas Müller (HdA/MPIA) – CC BY 4.0

Fomalhaut – Ein naher, junger Stern mit Ringen aus Trümmern

Nur 25 Lichtjahre von der Erde entfernt gehört Fomalhaut zu den hellsten Sternen am Nachthimmel. Er liegt im Sternbild Südlicher Fisch (Piscis Austrinus) und ist massereicher, leuchtkräftiger und deutlich jünger als die Sonne. Um ihn herum befinden sich mehrere ausgedehnte Staubringe.

Der Max-Planck Wissenschaftler und Hubble-Spezialist Bin Ren, der auch am Observatorium von Côte d’Azur in Nizza tätig ist, überprüfte die Echtheit des Signals. Hierzu verwendete er eigene Werkzeuge zur Datenverarbeitung. „So konnten wir sicherstellen, dass das Signal nicht ungewollt durch einen Verarbeitungsschritt künstlich erzeugt wurde“, sagt Ren.

Neue Erkenntnisse über Kollisionen von Planetesimalen

Fomalhaut war 2008 das erste Sternsystem, in dem mit dem Hubble-Weltraumteleskop ein möglicher Exoplanet im sichtbaren Licht entdeckt wurde. Das als Fomalhaut b bezeichnete Objekt entpuppte sich später jedoch als eine sich ausdehnende Staubwolke – das Ergebnis einer Kollision zwischen Kilometer großen Planetesimalen, den Bausteinen von Planeten.

Bei der Auswertung neuer Hubble-Aufnahmen suchten die Forschenden erneut nach Fomalhaut b. Stattdessen entdeckten sie einen zweiten Lichtpunkt an einer ähnlichen Position. Das ursprüngliche Objekt erhielt die Bezeichnung cs1, während das neu entdeckte Objekt nun cs2 genannt wird.

Unerwartete Häufigkeit von Kollisionen

Warum sich diese beiden Staubwolken so nahe beieinander befinden, bleibt ein Rätsel. Wenn Zusammenstöße zwischen Asteroiden und Planetesimalen zufällig geschehen, sollten sich cs1 und cs2 an verschiedenen Orten zeigen. Doch sie liegen auffällig nahe beieinander am inneren Rand des äußeren Staubrings von Fomalhaut.

Ein weiteres Mysterium ist die Häufigkeit dieser Ereignisse. Theoretische Modelle sagen voraus, dass solche Kollisionen nur etwa einmal in 100.000 Jahren stattfinden. Doch das Team hat innerhalb von nur 20 Jahren gleich zwei davon beobachtet. Das ist vergleichbar mit einem plötzlichen Feuerwerk. Zwar sind solche Kollisionen grundlegende Vorgänge bei der Entstehung von Planetensystemen, doch sie sind selten und schwer zu untersuchen.

Fomalhaut (HST) — Dieses zusammengesetzte Bild des Hubble-Weltraumteleskops zeigt den Trümmerring und die Staubwolken cs1 und cs2 um den Stern Fomalhaut. Zum Vergleich ist die 2012 aufgenommene Staubwolke cs1 zusammen mit der 2023 aufgenommenen Staubwolke cs2 abgebildet. – Credit: © NASA, ESA, Paul Kalas (UC Berkeley)

„Es könnten Hunderte solcher Kollisionen stattgefunden haben, die unbemerkt blieben“, erklärt Ren. „Nur diese beiden waren hell genug, um mit Hubble sichtbar zu werden. Die Nähe von Fomalhaut zur Erde hat uns dabei geholfen, diese schwachen Lichtausbrüche überhaupt zu entdecken.“

Besonders spannend an dieser Entdeckung ist, dass sie Rückschlüsse auf die Größe und Häufigkeit der kollidierenden Objekte ermöglicht. Auf anderem Wege sind diese Informationen kaum zu gewinnen. Die zerstörten Planetesimale, die cs1 und cs2 erzeugt haben, waren etwa 30 Kilometer groß. In Fomalhauts Planetensystem könnten rund 300 Millionen solcher Objekte existieren.

Im Jahr 2022 ließ die NASA im Rahmen ihrer ersten Testmission für planetare Verteidigung eine Raumsonde namens DART (Double Asteroid Redirection Test) absichtlich mit einem Asteroiden kollidieren. Dieses Experiment erzeugte eine eindrucksvolle Staubwolke. Doch der Zusammenstoß im Fomalhaut-System war eine Milliarde Mal gewaltiger. Fomalhaut bietet daher eine einmalige Gelegenheit, die Physik der Kollision von Planetesimalen direkt zu untersuchen. Diese Erkenntnisse helfen Astronominnen und Astronomen zu verstehen, woraus die Trümmer bestehen und wie Planetesimale sich bilden.

Warnung für Exoplanetenjäger

Die kurzlebige Natur von cs1 und cs2 stellt eine Herausforderung für zukünftige Exoplaneten-Missionen dar. Staubwolken wie diese könnten leicht mit echten Exoplaneten verwechselt werden.

„Fomalhaut cs2 sieht genauso aus wie ein Exoplanet, der Sternenlicht reflektiert“, erklärt Kalas. „Von cs1 haben wir gelernt, dass eine große Staubwolke jahrelang wie ein Planet erscheinen kann. Das ist eine Warnung für zukünftige Missionen, die Exoplaneten im reflektierten Licht aufspüren wollen.“

Ausblick in die Zukunft

Das Team hat zusätzliche Beobachtungszeit mit Hubble erhalten, um cs2 in den kommenden drei Jahren weiter zu verfolgen. Dabei soll untersucht werden, wie sich das Objekt verändert: Verblasst es oder wird es heller? Da cs2 näher am Staubgürtel liegt als cs1, könnte es auf weiteres Material treffen. Dies könnte eine Kettenreaktion auslösen, bei der noch mehr Staub freigesetzt wird – mit der Folge, dass sich die gesamte Region aufhellt.

Zusätzlich planen die Forschenden Beobachtungen mit dem NIRCam-Instrument des Weltraumteleskops James Webb. Während Hubbles STIS-Kamera (Space Telescope Imaging Spectrograph) das Objekt nur im sichtbaren Licht erfassen kann, wird das JWST cs2 im Infrarotbereich untersuchen. Dabei wird es Farbinformationen liefern, die verraten, wie groß die Staubpartikel sind und woraus sie bestehen. Sogar Hinweise auf Wassereis könnten so erbracht werden.

Hintergrundinformationen

Bin Ren ist der einzige Astronom des Max-Planck-Instituts für Astronomie, der zu dieser Forschung beigetragen hat (ebenfalls Observatoire de la Côte d’Azur, Nizza, Frankreich).

Weitere Forschende waren Paul Kalas (Astronomy Department, University of California, Berkeley, USA; SETI Institute, Carl Sagan Center, Mountain View, USA; Institute of Astrophysics, FORTH, Heraklion, Griechenland), Jason J. Wang (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) und Department of Physics and Astronomy, Northwestern University, Evanston, USA) und Maxwell A. Millar-Blanchaer (Department of Physics, University of California, Santa Barbara, USA).

Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation).

Link zur Pressemitteilung des MPIA