Wir haben jetzt planetenbildende Scheiben um Hunderte von jungen Sternen herum gesehen. Was sagen sie uns?

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 wurde in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht, und 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“, sagte van Terwisga 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 Wolke, das 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.

Dieses Bild der gigantischen sternbildenden Wolke Orion A wurde vom Weltraumteleskop Herschel aufgenommen.  Es zeichnet die großräumige Verteilung von kaltem Staub nach.  Orion A ist etwa 1350 Lichtjahre entfernt und besteht aus einzelnen Sternentstehungsregionen, die durch ihre Beschriftung gekennzeichnet sind.  Die Positionen der mit ALMA beobachteten planetenbildenden Scheiben (+) sind angegeben, während Scheiben mit Staubmassen über einem Äquivalent von 100 Erdmassen als blaue Punkte erscheinen.  Der berühmte Orion-Nebel, der mit bloßem Auge am Himmel sichtbar ist, beherbergt den Orion-Nebel-Cluster (ONC), einschließlich mehrerer massiver Sterne, die intensive Strahlung aussenden.  Bild: HE van Terwisga et al./MPIA
Das Weltraumteleskop Herschel hat dieses Bild der riesigen sternbildenden Wolke Orion A aufgenommen. Es zeichnet die großräumige Verteilung von kaltem Staub nach. Orion A ist etwa 1350 Lichtjahre entfernt und besteht aus einzelnen Sternentstehungsregionen, die durch ihre Beschriftung gekennzeichnet sind. Die Positionen der mit ALMA beobachteten planetenbildenden Scheiben (+) sind angegeben, während Scheiben mit Staubmassen über 100 Erdmassen als blaue Punkte erscheinen. Der berühmte Orion-Nebel, der mit bloßem Auge am Himmel sichtbar ist, beherbergt den Orion-Nebel-Cluster (ONC), einschließlich mehrerer massiver Sterne, die intensive Strahlung aussenden. Bild: HE van Terwisga et al./MPIA

Álvaro Hacar ist Co-Autor der Studie und Wissenschaftler an der Universität Wien, Österreich. „Orion hat uns eine beispiellos große Stichprobengröße von mehr als 870 Scheiben um junge Sterne bereitgestellt“, sagte Hacar. „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 nahegelegene Orion Nebular Cluster (ONC) beherbergt einige massereiche 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 mm die Beobachtungen unempfindlich gegenüber Objekten macht, die größer als ein paar mm sind – zum Beispiel Planeten, die sich bereits gebildet haben – haben die Messungen des Teams nur Staub gemessen, der zur Bildung neuer Planeten verfügbar ist.

Diese künstlerische Impression verdeutlicht, wie planetenbildende Scheiben um junge Sterne oft aussehen.  Sie bestehen zunächst aus Staub und Gas, die zu Ringen aus dichtem Material konfiguriert sind.  Mit der Zeit wachsen die festen Bestandteile zu Kieselsteinen, die sich schließlich zu Planeten entwickeln können.  Da die in dieser Studie verwendeten ALMA-Beobachtungen nur für millimetergroße Staubkörner empfindlich sind, erzeugen evolvierte Scheiben mit größeren Objekten oder sogar Planeten ein relativ schwaches Signal von dem Restmaterial.  Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich solche Scheiben ohne externe Bestrahlung ähnlich entwickeln.  Nach etwa einer Million Jahren haben die meisten von ihnen nicht mehr genug Masse, um große Planeten wie Jupiter zu produzieren.  Möglicherweise haben sich dort aber bereits solche Planeten gebildet.  Bildquelle: Graphische Abteilung des MPIA
Diese künstlerische Impression verdeutlicht, wie planetenbildende Scheiben um junge Sterne oft aussehen. Sie bestehen zunächst aus Staub und Gas, die zu Ringen aus dichtem Material konfiguriert sind. Mit der Zeit wachsen die festen Bestandteile zu Kieselsteinen, die sich schließlich zu Planeten entwickeln können. Da die in dieser Studie verwendeten ALMA-Beobachtungen nur für millimetergroße Staubkörner empfindlich sind, erzeugen evolvierte Scheiben mit größeren Objekten oder sogar Planeten ein relativ schwaches Signal von dem Restmaterial. Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich solche Scheiben ohne externe Bestrahlung ähnlich entwickeln. Nach etwa einer Million Jahren haben die meisten von ihnen nicht mehr genug Masse, um große Planeten wie Jupiter zu produzieren. Möglicherweise haben sich dort aber bereits solche Planeten gebildet.
Bildquelle: Graphische Abteilung des MPIA

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 verbesserte die Verarbeitungsgeschwindigkeit um den Faktor 900“, sagte Co-Autor Raymond Oonk.

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 Datenträgern waren die Teilstichproben immer noch ausreichend groß, um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu liefern“, erklärte van Terwisga.

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“, schreiben die Autoren in ihrem Papier.

Diese Abbildung aus der Studie zeigt die sechs Plattencluster mit geringer Masse und geringer Dichte.  Trotz ihrer weiten Verbreitung in Orion A zeigen die Scheiben die gleiche Masse-Alters-Korrelation.  Bildnachweis: SE van Terwisga et al.  2022.
Diese Abbildung zeigt die sechs YSO-Cluster mit geringer Masse und geringer Dichte in der Studie. Trotz ihrer weiten Verbreitung in Orion A zeigen die Scheiben die gleiche Masse-Alters-Korrelation. Bildnachweis: SE van Terwisga et al. 2022.

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 auftreten die gleiche Massenverteilung in einem bestimmten Alter. Und sie scheinen sich mehr oder weniger auf die gleiche Weise zu entwickeln“, sagte van Terwisga.

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“, schlussfolgern die Autoren, und 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 ermöglicht uns die beispiellose Größe der SODA-Scheibenprobe (Survey of Orion Disks with Alma), die Auswirkungen von Altersgradienten und Clustering in einer einzigen Sternentstehungsregion zu vergrößern.“

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