Erstes bestätigtes Bild eines neugeborenen Planeten vom VLT der ESO

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SPHERE, ein Instrument zur Planetensuche am Very Large Telescope der ESO, hat das erste bestätigte Bild eines Planeten aufgenommen, der sich in der Staubscheibe um einen jungen Stern gebildet hat. Der junge Planet pflügt sich seinen Weg durch die primordiale Scheibe aus Gas und Staub um den sehr jungen Stern PDS 70. Die Daten deuten darauf hin, dass die Atmosphäre des Planeten Wolken enthält.

Astronomen unter Leitung einer Gruppe vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg haben eine spektakuläre Momentaufnahme der Planetenbildung um den jungen Zwergstern PDS 70 aufgenommen. Mit dem SPHERE-Instrumentam Very Large Telescope (VLT) der ESO – einem der leistungsfähigsten Instrumente zur Planetensuche überhaupt – hat das internationale Team die erste hieb- und stichfeste Detektion eines jungen Planeten namens PDS 70b machen können, der sich seinen Weg durch das den jungen Stern umgebende planetenbildende Material gräbt [1].

Das SPHERE-Instrument ermöglichte es dem Team auch, die Helligkeit des Planeten bei verschiedenen Wellenlängen zu messen, wodurch Eigenschaften seiner Atmosphäre abgeleitet werden konnten.

Der Planet hebt sich in den neuen Beobachtungen sehr deutlich ab, sichtbar als heller Punkt rechts vom geschwärzten Bildmittelpunkt. Er befindet sich etwa drei Milliarden Kilometer von seinem Zentralstern entfernt, was in etwa der Entfernung zwischen Uranus und der Sonne entspricht. Die Analyse zeigt, dass PDS 70b ein großer Gasplanet mit einer Masse ist, die mehrere Male größer ist als die des Jupiters. Die Oberfläche des Planeten hat eine Temperatur von etwa 1000°C und ist damit viel heißer als jeder andere Planet in unserem Sonnensystem.

Der dunkle Bereich in der Bildmitte ist auf einen Koronografen zurückzuführen, eine Maske, die das blendend helle Licht des Zentralsterns blockiert und es den Astronomen erlaubt, seine viel schwächere Scheibe und seinen planetaren Begleiter zu erkennen. Ohne diese Maske wäre das schwache Licht des Planeten vom intensiven Leuchten von PDS 70 völlig überstrahlt.

"Diese Scheiben um junge Sterne müssen die Geburtsorte von Planeten sein, aber bisher haben nur wenige Beobachtungen Hinweise auf junge Planeten in ihnen gezeigt", erklärt Miriam Keppler, die das Team bei der Entdeckung des noch entstehenden Planeten um PDS 70 geleitet hat. "Das Problem ist, dass die meisten dieser Planetenkandidaten bisher auch einfach nur Strukturen in der Scheibe sein könnten."

Die Entdeckung des jungen Begleiters von PDS 70 ist ein spannendes wissenschaftliches Ergebnis, das bereits weitere Untersuchungen nach sich gezogen hat. Ein zweites Team, bei dem auch viele der Astronomen aus dem Entdeckerteam beteiligt waren, darunter auch Keppler, hat in den vergangenen Monaten Nachfolgebeobachtungen angestellt, um den planetaren Begleiter von PDS 70 genauer zu untersuchen. Sie machten nicht nur die eindrucksvoll scharfe, hier gezeigte Aufnahme des Planeten, sondern konnten zusätzlich auch ein Spektrum des Planeten gewinnen. Die Analyse dieses Spektrums ergab, dass seine Atmosphäre von Wolken durchzogen ist.

Der planetare Begleiter von PDS 70 hat um den Stern eine sogenannte Übergangsscheibe geformt – eine protoplanetare Scheibe mit einem riesigen "Loch" in der Mitte. Diese inneren Lücken sind bereits seit Jahrzehnten bekannt und man hatte schon zuvor spekuliert, dass sie durchdie Wechselwirkung der Scheibe mit einem Planeten entstanden sind. Jetzt können wir den Planeten zum ersten Mal sehen.

"Miriams Ergebnisse haben uns ein neues Fenster zu den komplexen und schlecht verstandenen Anfangsstadien der planetaren Evolution geöffnet", kommentiert André Müller, Leiter des zweiten Teams zur Erforschung des jungen Planeten. "Wir müssen einen Planeten in der Scheibe eines jungen Sterns beobachten, um die Prozesse hinter der Planetenbildung wirklich zu verstehen." Durch die Bestimmung der atmosphärischen und physikalischen Eigenschaften des Planeten können die Astronomen theoretische Modelle der Planetenbildung testen.

Der Blick auf die staubbedeckte Geburt eines Planeten war nur Dank der beeindruckenden technologischen Möglichkeiten des ESO-Instruments SPHERE möglich, das Exoplaneten und Scheiben in der Nähe von Sternen mit einer Technik untersucht, die als Hochkontrast-Abbildung bezeichnet wird – eine große Herausforderung. Selbst wenn man das Licht eines Sterns mit einem Koronografen blockiert, muss SPHERE mit ausgeklügelten Beobachtungsstrategien und Datenverarbeitungstechniken das Signal der schwachen planetaren Begleiter um helle junge Sterne [2] bei mehreren Wellenlängen und Epochen herausfiltern.

Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie und Leiter der Teams, fasst das wissenschaftliche Abenteuer zusammen: "Nach mehr als einem Jahrzehnt enormer Anstrengungen, diese High-Tech-Maschine zu bauen, ermöglicht uns SPHERE nun, Planeten direkt bei ihrer Entstehung zu finden und zu studieren!"

Endnoten

[1] Die Scheiben- und Planetenbilder sowie das Planetenspektrum wurden im Rahmen der beiden Vermessungsprogramme SHINE (SpHere INfrared survey for Exoplanets) und DISK (sphere survey for circumstellar DISK) aufgenommen. Ziel von SHINE ist es, 600 junge, nahe gelegene Sterne im nahen Infrarot mit dem hohen Kontrast und der hohen Winkelauflösung von SPHERE abzubilden, um neue Exoplaneten bzw. ganze Planetensysteme zu entdecken und zu charakterisieren. DISK erforscht bekannte, junge Planetensysteme und ihre zirkumstellaren Scheiben, um die Ausgangsbedingungen der Planetenbildung und die Entwicklung planetarer Strukturen zu untersuchen.

[2] Um das schwache Signal des Planeten neben dem hellen Stern sichtbar zu machen, verwenden Astronomen eine ausgeklügelte Methode, die von der Rotation der Erde profitiert. In diesem Beobachtungsmodus nimmt SPHERE über einen Zeitraum von mehreren Stunden kontinuierlich Bilder des Sterns auf, wobei das Instrument so stabil wie möglich gehalten wird. Infolgedessen scheint sich der Planet langsam zu drehen und seine Position auf dem Bild in Bezug auf das Beugungsscheibchen des Sterns zu ändern. Mit aufwendigen numerischen Algorithmen werden die einzelnen Bilder dann so kombiniert, dass alle Teile des Bildes, die sich während der Beobachtung nicht zu bewegen scheinen, wie das Signal vom Stern selbst, gefiltert werden. So bleiben nur diejenigen übrig, die sich scheinbar bewegen – und den Planeten sichtbar machen.

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