Die turbulente Jugend junger Planetensysteme

Astro­nom­in­nen und Astro­no­men haben die bis­her detail­lier­tes­ten Schnapp­schüs­se von Pla­ne­ten­sys­te­men in einer Ära auf­ge­nom­men, die lan­ge Zeit im Dun­keln lag. Die ALMA-Stu­die ARKS (ALMA sur­vey to Resol­ve exo­Kui­per belt Sub­s­truc­tures, etwa: ALMA-Stu­die zur Auf­de­ckung von Sub­struk­tu­ren in Exo-Kui­per-Gür­teln) hat mit Hil­fe des Ata­ca­ma Lar­ge Millimeter/submillimeter Array (ALMA) die schärfs­ten Bil­der aller Zei­ten von 24 Trüm­mer­rin­gen auf­ge­nom­men, den stau­bi­gen Gür­teln, die nach der Ent­ste­hung von Pla­ne­ten zurück­blei­ben. Die­se Schei­ben sind das kos­mi­sche Äqui­va­lent zu den Teen­ager­jah­ren von Pla­ne­ten­sys­te­men – etwas rei­fer als neu ent­stan­de­ne, pla­ne­ten­bil­den­de Schei­ben, aber noch nicht ganz erwachsen.

Eine fehlende Seite in den Familienalben von Planeten

„Wir haben oft die Baby­fo­tos von Pla­ne­ten gese­hen, die sich gera­de bil­den, aber bis jetzt fehl­te die Jugend­pha­se“, sagt Mer­edith Hug­hes, Asso­cia­te Pro­fes­sor für Astro­no­mie an der Wes­ley­an Uni­ver­si­ty in Midd­le­town, Con­nec­ti­cut, USA, und Co-PI (Co-Prin­ci­pal Inves­ti­ga­tor, etwa: wis­sen­schaft­li­che Mit­ver­ant­wort­li­che) die­ser Studie.

„Trüm­mer­rin­ge ste­hen für die von Kol­li­sio­nen gepräg­te Pha­se des Pla­ne­ten­ent­ste­hungs­pro­zes­ses“, erklärt Tho­mas Hen­ning, Wis­sen­schaft­ler am MPIA (Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie) und Co‑I (Co-Inves­ti­ga­tor, etwa: wis­sen­schaft­lich mit­ver­ant­wort­li­ches Team­mit­glied) von ARKS. „Mit ALMA kön­nen wir die Ring­struk­tu­ren sicht­bar machen, die auf die Anwe­sen­heit von Pla­ne­ten hin­wei­sen. Par­al­lel dazu suchen wir mit Hil­fe von direk­ter Bild­ge­bung und Radi­al­ge­schwin­dig­keits­stu­di­en nach jun­gen Pla­ne­ten in die­sen Systemen.“

Das Pen­dant zu die­ser Pha­se in unse­rem eige­nen Son­nen­sys­tem ist der Kui­per­gür­tel, ein Ring aus eisi­gen Bruch­stü­cken jen­seits von Nep­tun, der Hin­wei­se gewal­ti­ger Kol­li­sio­nen und Pla­ne­ten­wan­de­run­gen vor Mil­li­ar­den von Jah­ren lie­fert. Durch die Unter­su­chung von 24 Exo­pla­ne­ten-Trüm­mer­gür­teln hat das ARKS-Team einen Ein­blick in die Vor­gän­ge in unse­rem Son­nen­sys­tem gewon­nen, als sich der Mond bil­de­te und die Pla­ne­ten um ihre end­gül­ti­gen Posi­tio­nen ran­gen und manch­mal sogar ihre Umlauf­bah­nen tauschten!

Teenager-Scheiben: schwer zu „fotografieren“, unmöglich zu ignorieren

Trüm­mer­rin­ge sind licht­schwach, hun­der­te oder sogar tau­sen­de Male dunk­ler als die hel­len, gas­rei­chen Schei­ben, in denen Pla­ne­ten ent­ste­hen. Das ARKS-Team hat die­se Her­aus­for­de­run­gen gemeis­tert und Bil­der die­ser Schei­ben in bei­spiel­lo­ser Detail­ge­nau­ig­keit pro­du­ziert. Wie Teen­ager, die sich vor der Kame­ra ver­ste­cken, haben es die­se schwa­chen Schei­ben geschafft, sich jah­re­lang vor den For­schen­den zu ver­ber­gen. Dank ALMA kön­nen Astro­nom­in­nen und Astro­no­men nun ihre kom­ple­xen Struk­tu­ren erken­nen: Gür­tel mit meh­re­ren Rin­gen, brei­te und glat­te Halos, schar­fe Kan­ten und sogar uner­war­te­te Bögen und Klumpen.

Aller­dings macht ALMA mit sei­nen Dut­zen­den von ein­zel­nen Radio­te­le­sko­pen kei­ne Bil­der im klas­si­schen Sin­ne. Statt­des­sen sam­melt es Radio­si­gna­le, die von Staub­par­ti­keln und Mole­kü­len aus­ge­sen­det wer­den und anschlie­ßend ver­ar­bei­tet und kor­re­liert wer­den müs­sen. Jedes Tele­skop trägt zum end­gül­ti­gen Bild bei, das aus dem Strom der Radio­wel­len zusam­men­ge­fügt wird.

„Wir sehen eine ech­te Viel­falt – nicht nur ein­fa­che Rin­ge, son­dern mehr­rin­gi­ge Gür­tel, Halos und star­ke Asym­me­trien, die ein dyna­mi­sches und tur­bu­len­tes Kapi­tel in der Geschich­te der Pla­ne­ten offen­ba­ren“, fügt Sebas­tián Mari­no hin­zu, Pro­gramm­lei­ter von ARKS und außer­or­dent­li­cher Pro­fes­sor an der Uni­ver­si­tät Exe­ter, Großbritannien.

Highlights und Premieren von ARKS

• Ein neu­er Maß­stab: ARKS ist die größ­te und detail­reichs­te Unter­su­chung von Trüm­mer­rin­gen, ver­gleich­bar mit einem „DSHARP für Trüm­mer­rin­ge“, und setzt damit einen neu­en Gold­stan­dard.
• Eine dyna­mi­sche, tur­bu­len­te Jugend: Etwa ein Drit­tel der beob­ach­te­ten Rin­ge weist kla­re Unter­struk­tu­ren auf (meh­re­re Rin­ge oder deut­li­che Lücken), was auf Merk­ma­le hin­deu­tet, die aus frü­he­ren Pha­sen der Pla­ne­ten­ent­ste­hung stam­men oder von Pla­ne­ten über einen viel län­ge­ren Zeit­raum geformt wur­den.
• Uner­war­te­te Viel­falt: Wäh­rend eini­ge Schei­ben kom­ple­xe Struk­tu­ren aus frü­he­ren Jah­ren bei­be­hal­ten, erschei­nen ande­re ruhi­ger und deh­nen sich zu brei­ten Gür­teln aus, ähn­lich wie wir es von der Ent­wick­lung des Son­nen­sys­tems erwar­ten.
• Hin­wei­se auf pla­ne­ta­ri­sche Umwäl­zun­gen: Vie­le Schei­ben wei­sen Anzei­chen für Zonen der Ruhe und des Cha­os auf, mit ver­ti­kal „auf­ge­bläh­ten” Regio­nen, ähn­lich wie in unse­rem Son­nen­sys­tem, wo sich ruhi­ge klas­si­sche Kui­per­gür­tel-Objek­te und sol­che, die durch die eins­ti­ge Wan­de­rung des Nep­tun ver­streut wur­den, ver­mi­schen.
• Über­ra­schen­de Gas­res­te: Meh­re­re Schei­ben behal­ten Gas viel län­ger als erwar­tet. In eini­gen Sys­te­men kann ver­blei­ben­des Gas die Che­mie der wach­sen­den Pla­ne­ten beein­flus­sen oder sogar Staub in aus­ge­dehn­te Halos hin­aus­trei­ben.
• Asym­me­trien und Bögen: Vie­le Schei­ben sind ungleich­mä­ßig, mit hel­len Bögen oder exzen­tri­schen For­men, was auf gra­vi­ta­ti­ve Ein­flüs­se von unbe­kann­ten Pla­ne­ten, Über­res­te von frü­he­ren Pha­sen wäh­rend der Pla­ne­ten­wan­de­rung oder Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen Gas und Staub hin­deu­tet.
• Bereit­stel­lung öffent­li­cher Daten: Alle ARKS-Beob­ach­tun­gen und ver­ar­bei­te­ten Daten wer­den der astro­no­mi­schen For­schung welt­weit frei zur Ver­fü­gung gestellt, um wei­te­re Ent­de­ckun­gen zu ermöglichen.

Schlussfolgerungen: Unser Sonnensystem war einst eine wilde Fahrt

Die Ergeb­nis­se von ARKS zei­gen, dass die­se Teen­ager­pha­se eine Zeit des Über­gangs und der Tur­bu­len­zen ist. „Die­se Schei­ben doku­men­tie­ren eine Zeit, in der die Pla­ne­ten­bah­nen durch­ein­an­der­ge­ra­ten waren und gewal­ti­ge Ein­schlä­ge, wie der­je­ni­ge, der den Mond der Erde geformt hat, jun­ge Son­nen­sys­te­me geprägt haben“, sagt Luca Matrà, Co-PI der Stu­die und außer­or­dent­li­cher Pro­fes­sor am Tri­ni­ty Col­lege Dub­lin, Irland.

Durch die Unter­su­chung Dut­zen­der Schei­ben um Ster­ne unter­schied­li­chen Alters und Typs trug ARKS dazu bei, zu ent­schlüs­seln, ob chao­ti­sche Merk­ma­le ver­erbt, von Pla­ne­ten geformt oder durch ande­re kos­mi­sche Kräf­te ent­stan­den sind. Die Beant­wor­tung die­ser Fra­gen könn­te Auf­schluss dar­über geben, ob die Geschich­te unse­res Son­nen­sys­tems ein­zig­ar­tig oder die Norm war.

Ausblick: Auf der Suche nach planetenbildenden Kräften

Die Ergeb­nis­se der ARKS-Stu­die sind eine Fund­gru­be für Astro­no­men, die nach jun­gen Pla­ne­ten suchen und ver­ste­hen wol­len, wie Pla­ne­ten­fa­mi­li­en wie unse­re eige­ne ent­ste­hen und sich neu ordnen.

„Die­ses Pro­jekt gibt uns eine neue Per­spek­ti­ve für die Inter­pre­ta­ti­on der Kra­ter auf dem Mond, der Dyna­mik des Kui­per­gür­tels und des Wachs­tums gro­ßer und klei­ner Pla­ne­ten. Es ist, als wür­de man die feh­len­den Sei­ten im Fami­li­en­al­bum des Son­nen­sys­tems hin­zu­fü­gen“, fügt Hug­hes hinzu.

MN

Hintergrundinformationen

Die ARKS-Stu­die ist das Ergeb­nis der Arbeit eines inter­na­tio­na­len Teams von etwa 60 Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­lern unter der Lei­tung der Uni­ver­si­ty of Exe­ter (Groß­bri­tan­ni­en), des Tri­ni­ty Col­lege Dub­lin (Irland) und der Wes­ley­an Uni­ver­si­ty (Midd­le­town, Con­nec­ti­cut, USA). Wei­te­re Infor­ma­tio­nen fin­den Sie unter https://arkslp.org/.

Das Ata­ca­ma Lar­ge Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine inter­na­tio­na­le astro­no­mi­sche Ein­rich­tung, die von der Euro­päi­schen Süd­stern­war­te (ESO), der US-ame­ri­ka­ni­schen Natio­nal Sci­ence Foun­da­ti­on (NSF) und den Natio­nal Insti­tu­tes of Natu­ral Sci­en­ces (NINS) Japans in Zusam­men­ar­beit mit der Repu­blik Chi­le betrie­ben wird. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mit­glied­staa­ten, von der NSF in Zusam­men­ar­beit mit dem Natio­nal Rese­arch Coun­cil of Cana­da (NRC) und dem Natio­nal Sci­ence and Tech­no­lo­gy Coun­cil (NSTC) in Tai­wan sowie von den NINS in Zusam­men­ar­beit mit der Aca­de­mia Sini­ca (AS) in Tai­wan und dem Korea Astro­no­my and Space Sci­ence Insti­tu­te (KASI) finanziert.

Der Bau und Betrieb von ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mit­glied­staa­ten, vom Natio­nal Radio Astro­no­my Obser­va­to­ry (NRAO), das von Asso­cia­ted Uni­ver­si­ties, Inc. (AUI) ver­wal­tet wird, im Namen Nord­ame­ri­kas und vom Natio­nal Astro­no­mic­al Obser­va­to­ry of Japan (NAOJ) im Namen Ost­asi­ens gelei­tet. Das Joint ALMA Obser­va­to­ry (JAO) über­nimmt die ein­heit­li­che Lei­tung und Ver­wal­tung des Baus, der Inbe­trieb­nah­me und des Betriebs von ALMA.

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