Untersuchung von mehr als 800 planetenbildenden Scheiben enthüllt eine Überraschung bei der planetaren Evolution

Ist unser Sonnensystem mit anderen Sonnensystemen vergleichbar? Wie sehen andere Systeme aus? Wir wissen aus Exoplanetenstudien, dass viele andere Systeme heiße Jupiter haben, massereiche Gasriesen, die ihre Sterne extrem nahe umkreisen. Ist das normal, und unser Sonnensystem ist der Ausreißer?

Eine Möglichkeit, diese Fragen zu beantworten, besteht darin, die planetenbildenden Scheiben um junge Sterne herum zu untersuchen, um zu sehen, wie sie sich entwickeln.

Aber das Studium einer großen Stichprobe dieser Systeme ist der einzige Weg, um eine Antwort zu erhalten.

Das tat eine Gruppe von Astronomen, als sie 873 protoplanetare Scheiben untersuchten.

Masse ist das entscheidende Element in einer neuen Studie über planetenbildende Scheiben. Die Masse der Scheibe bestimmt, wie viel Materie zur Bildung von Planeten zur Verfügung steht.

Durch die Messung der Masse der Scheiben um junge Sterne herum können Astronomen die Gesamtmasse der Planeten, die sich dort bilden könnten, einschränken und dem Verständnis der Architektur des Sonnensystems einen Schritt näher kommen.

Die neue Studie ist „Vermessung von Orion-Scheiben mit ALMA (SODA): I. Demografische Daten von 873 protoplanetaren Scheiben auf Wolkenebene.„Es ist in der Zeitschrift veröffentlicht Astronomie und Astrophysikund der Hauptautor ist Sierk van Terwisga, ein Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Deutschland.

„Bisher wussten wir nicht genau, welche Eigenschaften die Entwicklung planetenbildender Scheiben um junge Sterne dominieren“, sagt van Terwisga genannt in einer Pressemitteilung.

„Unsere neuen Ergebnisse deuten nun darauf hin, dass in Umgebungen ohne relevanten äußeren Einfluss die beobachtete Scheibenmasse, die für die Bildung neuer Planeten zur Verfügung steht, nur vom Alter des Stern-Scheiben-Systems abhängt.“

Die Staubmasse verrät Astronomen nicht nur die Masse von Planeten, die sich aus einer Scheibe bilden könnten. Je nach Alter der Scheibe könnte sie den Astronomen auch verraten, welche Planeten sich bereits gebildet haben.

Aber auch andere Faktoren beeinflussen die Plattenmasse, und diese Faktoren variieren von Platte zu Platte. Dinge wie Sternwind und Strahlung von nahen Sternen außerhalb der Scheibe können ebenfalls die Masse beeinflussen.

Wie konnten die Forscher diese Effekte in einer so großen Stichprobe isolieren?

Sie konzentrierten sich auf eine bekannte Region protoplanetarer Scheiben, die als die bezeichnet wird Orion Eine Wolkedas Teil des Orion Molecular Cloud Complex (OMCC) ist.

Das OMCC ist etwa 1350 Lichtjahre entfernt und beherbergt den gut untersuchten Orionnebel, ein Merkmal, das sogar Hinterhofastronomen sehen können.

(SE van Terwisga et al./MPIA)

Über: Dieses Bild zeigt die riesige sternenbildende Wolke Orion A, wie sie vom SPIRE-Instrument (Spectral and Photometric Imaging Receiver) an Bord des Weltraumteleskops Herschel beobachtet wurde. Es zeichnet die großräumige Verteilung von kaltem Staub nach. Orion A ist etwa 1350 Lichtjahre entfernt und besteht aus einzelnen Sternentstehungsregionen, wie durch ihre Beschriftung angegeben. Die Positionen der mit ALMA beobachteten planetenbildenden Scheiben (+) sind angegeben, während Scheiben mit Staubmassen über einem Äquivalent von 100 Erdmassen als blaue Punkte erscheinen.

Álvaro Hacar ist Co-Autor der Studie und Wissenschaftler an der Universität Wien, Österreich. „Orion A lieferte uns eine beispiellos große Stichprobengröße von mehr als 870 Scheiben um junge Sterne“, sagte Hacar genannt. „Es war entscheidend, nach kleinen Schwankungen der Festplattenmasse in Abhängigkeit vom Alter und sogar von den lokalen Umgebungen innerhalb der Cloud suchen zu können.“

Dies ist ein gutes Beispiel, da alle Datenträger zur selben Cloud gehören. Das bedeutet, dass ihre Chemie einheitlich ist und sie alle dieselbe Geschichte haben.

Der nahe gelegene Orion Nebular Cluster (ONC) beherbergt einige massive Sterne, die andere Scheiben beeinflussen könnten, daher lehnte das Team alle Scheiben in Orion A ab, die näher als 13 Lichtjahre an der ONC liegen.

Die Messung der Masse all dieser Scheiben war schwierig. Das Team verwendete das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), um den Staub zu beobachten. ALMA kann auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden, sodass das Team die jungen Scheiben bei einer Wellenlänge von 1,2 mm beobachtete.

Bei dieser Wellenlänge ist der Staub hell, aber der Stern ist schwach, was dazu beiträgt, die Wirkung des Sterns in jeder Scheibe zu eliminieren. Da die Beobachtung bei 1,2 Millimetern die Beobachtungen unempfindlich gegenüber Objekten macht, die größer als ein paar Millimeter sind – zum Beispiel Planeten, die sich bereits gebildet haben – haben die Messungen des Teams nur Staub gemessen, der zur Bildung neuer Planeten zur Verfügung steht.

Die Messung von Staub ohne Störungen durch Sterne war eine Hürde, aber die Forscher standen vor einer anderen: Daten.

Eine detaillierte Untersuchung von fast 900 protoplanetaren Scheiben erzeugt eine Menge Daten, und alle diese Daten müssen verarbeitet werden, bevor sie eine kollektive Bedeutung haben. Wenn sich das Team auf bestehende Methoden verlassen hätte, hätte es etwa sechs Monate gedauert, all diese Daten zu verarbeiten.

Stattdessen entwickelten sie ihre eigene Methode, um mit den Daten umzugehen Parallelverarbeitung. Was Monate gedauert hätte, dauerte weniger als einen Tag. „Unser neuer Ansatz hat die Verarbeitungsgeschwindigkeit um den Faktor 900 verbessert“, sagt Co-Autor Raymond Oonk genannt.

Als sie die Daten verarbeiteten, stellten die Forscher fest, dass die meisten Scheiben nur 2,2 Erdmassen Staub enthielten. Nur 20 der fast 900 Scheiben enthielten genug Staub für 100 oder mehr Erden.

„Um nach Variationen zu suchen, haben wir die Orion-A-Wolke zerlegt und diese Regionen separat analysiert. Dank der Hunderte von Scheiben waren die Teilproben immer noch ausreichend groß, um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu liefern“, sagt van Terwisga erklärt.

Die Forscher fanden eine gewisse Variabilität der Scheibenstaubmasse in verschiedenen Regionen von Orion A, aber die Variationen waren minimal. Der Alterseffekt kann laut den Autoren für die Variationen verantwortlich sein. Mit zunehmendem Alter der Platten nimmt die Plattenmasse ab, und Cluster von Platten gleichen Alters haben die gleiche Massenverteilung.

„Wir müssen betonen, dass die Unterschiede zwischen diesen am Himmel weit voneinander entfernten Haufen klein und selbst in den extremsten Fällen relativ zueinander und zum Feld nicht sehr signifikant sind“, so die Autoren in ihr Blatt schreiben.

ScatterpointGraphOfYoungStarClustersInOrionA(Van Terwisga et al., Astronomie & Astrophysik, 2022)

Über: Diese Abbildung zeigt die sechs Cluster mit geringer Masse und geringer Dichte YSOs in der Studie. Trotz ihrer weiten Verbreitung in Orion A zeigen die Scheiben die gleiche Masse-Alters-Korrelation.

Es wird erwartet, dass mit zunehmendem Alter der Scheiben ihre Staubmasse abnimmt. Die Entstehung von Planeten ist für den größten Teil dieses Rückgangs verantwortlich: Was einst Staub war, wird zu Planeten.

Aber auch andere Effekte tragen zum Staubverlust bei. Staub kann zum Scheibenzentrum wandern, und die Bestrahlung durch den Wirtsstern kann den Staub verdampfen lassen.

Aber diese Studie verstärkt die Korrelation zwischen Alter und Staubverlust.

Können die Ergebnisse dieser Studie auf andere Populationen junger Sternscheiben übertragen werden? Die Autoren verglichen ihre Ergebnisse von Orion A mit mehreren benachbarten Sternentstehungsgebieten mit jungen Scheiben.

Die meisten von ihnen, aber nicht alle, passen zu dem altersbedingten Massenverlust, der bei Orion A beobachtet wurde.

„Insgesamt glauben wir, dass unsere Studie beweist, dass zumindest innerhalb der nächsten 1000 Lichtjahre alle Populationen planetenbildender Scheiben in einem bestimmten Alter die gleiche Massenverteilung aufweisen. Und sie scheinen sich mehr oder weniger gleich zu entwickeln Weg”, van Terwisga genannt.

Die Forscher haben noch mehr Arbeit, die sie gerne erledigen würden. Sie werden den Effekt untersuchen, den kleinere Sterne auf einer kleineren Skala von einigen Lichtjahren haben können.

In dieser Studie vermieden sie den Effekt, den massereiche Sterne im ONC auf benachbarte Scheiben haben können. Aber kleinere Hintergrundsterne könnten die Scheiben immer noch beeinflussen, und sie könnten einige der kleinen Variationen in der Alter-Masse-Korrelation erklären.

Das Alter des Sterns und seiner Scheibe, die chemischen Eigenschaften und die Dynamik der Mutterwolke ergeben zusammen mit der Masse ein klareres Bild des Sonnensystems, das aus der Scheibe entsteht. Astronomen sind nicht in der Lage, solche Daten zu nehmen und vorherzusagen, welche Art von Planeten sich in einem bestimmten Sonnensystem bilden könnte.

Aber es ist bemerkenswert, dass die Korrelation zwischen Festplattenalter und Festplattenmasse stark ist, selbst bei großen Strukturen wie Orion A.

„Die bemerkenswert homogenen Eigenschaften gleichaltriger Scheibenproben sind ein überraschender Befund“, so die Autoren abschließen abschließenund ihre Ergebnisse bestätigen, was frühere Studien und Umfragen andeuteten.

„Jetzt können wir jedoch zeigen, dass dies für eine größere Anzahl von YSOs und YSO-Clustern gilt, die sich in gut getrennten Teilen derselben Riesenwolke bilden. Zum ersten Mal wird die beispiellose Größe der SODA (Survey of Orion Disks with Alma )-Scheibenprobe erlaubt es uns, die Auswirkungen von Altersgradienten und Häufungen in einer einzelnen Sternentstehungsregion zu vergrößern.”

Dieser Artikel wurde ursprünglich von veröffentlicht Universum heute. Lies das originaler Artikel.

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