ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

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Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296 befinden. Mit einer neuartigen Technik zur Planetenentdeckung identifizierten die Astronomen drei Störungen in der gasgefüllten Scheibe um den jungen Stern: der bisher stärkste Hinweis darauf, dass sich dort neu gebildete Planeten auf ihren Umlaufbahnen bewegen. Es wären die ersten Planeten, die mit ALMA entdeckt wurden.

Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) hat unser Verständnis von protoplanetaren Scheiben – den gas- und staubgefüllten Planetenfabriken, die junge Sterne umgeben – verändert. Die Ringe und Lücken in diesen Scheiben liefern faszinierende Indizien für das Vorhandensein von Protoplaneten [1]. Aber auch andere Phänomene könnten für diese verlockenden Eigenschaften verantwortlich sein.

Aber jetzt haben zwei Astronomenteams mithilfe einer neuartigen Planetensuchtechnik, die ungewöhnliche Muster im Gasfluss innerhalb einer planetenbildenden Scheibe um junge Sterne herum identifiziert, jeweils eindeutige, verräterische Merkmale von neu gebildeten Planeten bestätigen können, die einen neugeborenen Stern umkreisen [2].

"Die Messung des Gasflusses innerhalb einer protoplanetaren Scheibe gibt uns viel mehr Sicherheit, dass Planeten um einen jungen Stern herum vorhanden sind", erklärt Christophe Pinte von der Monash University in Australien und dem Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (Université de Grenoble-Alpes/CNRS) in Frankreich und Erstautor einer der beiden Arbeiten. "Diese Technik bietet eine vielversprechende neue Richtung, um zu verstehen, wie Planetensysteme entstehen."

Für ihre jeweiligen Entdeckungen analysierten beide Teams ALMA-Beobachtungen von HD 163296, einem jungen Stern etwa 330 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schütze [3]. Dieser Stern hat etwa die doppeltewie die Masse der Sonne, ist aber nur vier Millionen Jahre alt – nur ein Tausendstel des Alters der Sonne.

"Wir haben die lokale, kleinskalige Bewegung des Gases in der protoplanetaren Scheibe des Sterns betrachtet. Dieser völlig neue Ansatz könnte einige der jüngsten Planeten in unserer Galaxie sichtbar machen, alles dank der hochauflösenden Bilder von ALMA", erläutert Richard Teague, Astronom an der University of Michigan und Erstautor des zweiten Fachartikels.

Anstatt sich auf den Staub in der Scheibe zu konzentrieren, der in früheren ALMA-Beobachtungen klar abgebildet wurde, untersuchten die Astronomen stattdessen Kohlenmonoxid-Gas (CO), das sich über die Scheibe ausbreitet. CO-Moleküle emittieren charakteristische Strahlung bei Millimeterwellenlängen, die ALMA sehr genau beobachten kann. Subtile Veränderungen der Wellenlänge dieses Lichts durch den Dopplereffekt zeigen die Bewegungen des Gases in der Scheibe.

Das Team um Teague identifizierte zwei Planeten, die etwa 12 Milliarden und 21 Milliarden Kilometer vom Stern entfernt liegen. Das andere Team, angeführt von Pinte, identifizierte einen Planeten etwa 39 Milliarden Kilometer vom Stern entfernt [4].

Die beiden Teams verwendeten Variationen der gleichen Technik, die nach Anomalien im Gasstrom sucht – wie die wechselnden Wellenlängen der CO-Emission zeigen – die darauf hindeuten, dass das Gas mit einem massereichen Objekt interagiert [5].

Die von Teague verwendete Technik, die durchschnittliche Schwankungen im Gasfluss von nur wenigen Prozent ergab, zeigt den Einfluss mehrerer Planeten auf die Gasbewegungen näher am Stern. Die von Pinte verwendete Technik, die den Durchfluss des Gases direkter misst, ist besser geeignet, den äußeren Teil der Scheibe zu untersuchen. Dies erlaubte den Autoren, den dritten Planeten genauer zu lokalisieren, lässt sich aber auf Abweichungen in der Strömung anwenden, die größer als etwa 10% sind.

In beiden Fällen identifizierten die Forscher Bereiche, in denen die Strömung des Gases nicht zu seiner Umgebung passt – ein wenig wie Wirbel um einen Felsen in einem Fluss. Indem sie diese Bewegung sorgfältig analysierten, konnten sie deutlich den Einfluss von planetaren Körpern erkennen, die in ihrer Masse dem Jupiter ähneln.

Die neue Technik erlaubt es den Astronomen, die Protoplanetenmassen genauer abzuschätzen und liefert mit geringerer Wahrscheinlichkeit falsch positive Resultate. "Wir bringen ALMA jetzt in den Bereich der Planetenerkennung", kommentiert Ted Bergin, Ko-Autor von der University of Michigan.

Beide Teams werden ihre Methoden weiter verfeinern und auf andere Scheiben anwenden, um besser zu verstehen, wie Atmosphären entstehen und welche Elemente und Moleküle einem Planeten bei seiner Geburt zugeführt werden.

Endnoten
[1] Obwohl in den letzten zwei Jahrzehnten Tausende von Exoplaneten entdeckt wurden, bildet der Nachweis von Protoplaneten eine der vordersten Fronten der Wissenschaft. Bisher gab es keine eindeutigen Nachweise. Die derzeit angewandten Techniken zur Auffindung von Exoplaneten in voll ausgebildeten Planetensystemen – wie z.B. die Messung des Taumelns eines Sterns oder das Dimmen des Sternlichts durch einen Transitplaneten – eignen sich nicht zur Detektion von Protoplaneten.

[2] Die Bewegung des Gases um einen Stern in Abwesenheit von Planeten hat ein sehr einfaches, vorhersagbares Muster (Kepler-Rotation), das sowohl kohärent als auch lokal kaum zu verändern ist, so dass nur die Anwesenheit eines relativ massereichen Objekts solche Störungen verursachen kann.

[3] ALMAs atemberaubende Bilder von HD 163296 und anderen ähnlichen Systemen haben faszinierende Muster von konzentrischen Ringen und Lücken innerhalb von protoplanetaren Scheiben offenbart. Diese Lücken können Hinweise darauf sein, dass Protoplaneten den Staub und das Gas von ihren Bahnen wegpflügen und einen Teil davon in ihre eigene Atmosphäre einbauen. Eine frühere Untersuchung der Scheibe dieses Sterns hat zeigt, dass sich die Lücken im Staub und im Gas überlappen, was darauf hindeutet, dass sich dort mindestens zwei Planeten gebildet haben.

Diese ersten Beobachtungen lieferten jedoch nur Indizien und konnten nicht zur genauen Abschätzung der Masse der Planeten herangezogen werden.

[4] Dies entspricht dem 80-, 140- und 260-fachen der Entfernung von der Erde zur Sonne.

[5] Diese Technik ähnelt derjenigen, die im 19. Jahrhundert zur Entdeckung des Planeten Neptun führte. In diesem Fall wurden Anomalien in der Bewegung des Planeten Uranus auf die Gravitationswirkung eines unbekannten Körpers zurückgeführt, der 1846 visuell entdeckt wurde und als der achte Planet im Sonnensystem gilt.

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