Die Jagd nach anderen Planeten in unserer Galaxie hat sich in den letzten Jahrzehnten verschärft. 3869 Planeten wurden in 2.886 Systemen entdeckt, und weitere 2.898 Kandidaten warten auf Bestätigung. Obwohl die Entdeckung dieser Planeten den Wissenschaftlern viel über die Arten von Planeten in unserer Galaxie beigebracht hat, wissen wir noch viel nicht über den Prozess der Planetenbildung.
Um diese Fragen zu beantworten, hat ein internationales Team kürzlich das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) verwendet, um die erste groß angelegte hochauflösende Untersuchung protoplanetarer Scheiben um nahegelegene Sterne durchzuführen. Dieses Programm, das als DSHARP (Disk Substructures at High Angular Resolution Project) bekannt ist, lieferte hochauflösende Bilder von 20 nahe gelegenen Systemen, in denen Staub und Gas gerade dabei waren, neue Planeten zu bilden.
Ihre Ergebnisse wurden in einer Reihe von zehn Artikeln veröffentlicht, die in einer Sonderausgabe von erscheinen sollen Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe. Das verantwortliche Team bestand aus Mitgliedern des Harvard Smithsonian Center für Astrophysik (CfA), des Joint ALMA Observatory sowie mehrerer Observatorien, Forschungsinstitute und Universitäten.
In jedem Fall stellten die DSHARP-Forscher fest, dass Lücken in der Scheibe vorhanden waren, die weit vom Zentralstern entfernt waren und den inneren und äußeren Teil der Scheibe abzugrenzen schienen. Die resultierenden Ringe waren auch dicht gepackt oder bildeten je nach Abstand vom Stern dünnere Banden. Diese Muster könnten das Ergebnis eines unsichtbaren planetarischen Begleiters sein, der die Scheibe stört.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Scheibenstrukturen einer globalen Instabilität unterliegen, die derjenigen in Spiralgalaxien (wie der Milchstraße) ähnelt. Den Forschern zufolge ist die überzeugendste Erklärung, dass sich große Planeten (wie Gasriesen) vorwiegend im äußeren Bereich der Scheiben bildeten, was darauf hindeuten würde, dass die Planetenbildung viel schneller erfolgt, als es aktuelle Theorien über die Planetenbildung zulassen.
Diese mögliche Erklärung würde auch helfen zu erklären, wie terrestrische Planeten (d. H. Felsige und erdähnliche Planeten), die sich näher an ihren Sternen bilden, die frühen Stadien ihrer Entstehung überleben können. Sean Andrews, Astronom am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und einer der Leiter * der ALMA-Beobachtungskampagne, erläuterte die Bedeutung dieser Ergebnisse in einer Pressemitteilung der NRAO:
„Das Ziel dieser monatelangen Beobachtungskampagne war es, nach strukturellen Gemeinsamkeiten und Unterschieden bei protoplanetaren Scheiben zu suchen. Die bemerkenswert scharfe Sicht von ALMA hat bisher unsichtbare Strukturen und unerwartet komplexe Muster aufgedeckt. Wir sehen deutliche Details um eine große Auswahl junger Sterne verschiedener Massen. Die überzeugendste Interpretation dieser sehr unterschiedlichen, kleinräumigen Merkmale ist, dass es unsichtbare Planeten gibt, die mit dem Plattenmaterial interagieren. “
Nach den führenden Modellen der Planetenbildung entstehen Planeten durch die allmähliche Ansammlung von Staub und Gas in einer protoplanetaren Scheibe. Dies beginnt damit, dass Staubkörner zu immer größeren Gesteinen verschmelzen, bis Asteroiden, Planestesimale und Planeten entstehen. Es wird angenommen, dass dieser Prozess Millionen von Jahren dauert, was bedeutet, dass protoplanetare Festplatten in älteren Systemen eine größere Sichtbarkeit haben.
Frühe Beobachtungen von ALMA zeigten jedoch, dass viele junge protoplanetare Scheiben gut definierte Strukturen wie Ringe und Lücken hatten. Diese Merkmale sind typischerweise mit dem Vorhandensein von Planeten verbunden und wurden sogar in einigen wenigen Systemen gefunden, die nur eine Million Jahre alt waren. Jane Huang, Doktorandin an der CfA und Mitglied des Forschungsteams, erklärte:
„Es war überraschend, mögliche Signaturen der Planetenbildung in den ersten hochauflösenden Bildern junger Scheiben zu sehen. Es war wichtig herauszufinden, ob es sich um Anomalien handelt oder ob diese Signaturen auf Datenträgern häufig vorkommen. “
Da der frühe Probensatz so klein war, wurde die DSHARP-Kampagne durchgeführt, um andere protoplanetare Scheiben zum Vergleich zu beobachten. Da bekannt ist, dass Staubpartikel in der Millimeterwellenlänge leuchten, konnte das Kampagnenteam das ALMA-Array verwenden, um die Dichteverteilung von Staubgürteln um junge Sternensysteme genau abzubilden und (abhängig von der Entfernung des Sterns) Merkmale als abzubilden klein wie ein paar astronomische Einheiten.
Am Ende stellte das Forscherteam fest, dass viele der Unterstrukturen (d. H. Konzentrische Lücken und schmale Ringe) fast allen Scheiben gemeinsam waren, während großräumige Spiralmuster und bogenartige Merkmale seltener waren. Sie fanden auch heraus, dass die Scheiben und Lücken in weiten Entfernungen von ihren Wirtssternen vorhanden waren - von einigen AUs bis zu mehr als einhundert.
Wie bereits erwähnt, könnten diese Beobachtungen dazu beitragen, ein dauerhaftes Rätsel zu lösen, wenn es um Theorien zur Planetenbildung geht. Insbesondere haben sich Astronomen gefragt, wie sich Planeten bilden könnten, wenn die Dynamik einer glatten protoplanetaren Scheibe dazu führen würde, dass ein Körper mit einem Durchmesser von mehr als einem Zentimeter in seinen Wirtsstern fällt. Unter diesen Umständen sollten felsige Objekte, die größer als ein Asteroid sind, nicht existieren.
Im Wesentlichen würden die dichten Staubringe, die das Team beobachtete, Störungen in der Scheibe verursachen, die Zonen schaffen könnten, in denen Planetesimale sicher sind und die Zeit haben, die sie benötigen, um zu Planeten zu wachsen. Laura Perez, Forscherin an der Universität von Chile und Mitglied des Forschungsteams, erklärte:
„Als ALMA seine Fähigkeiten mit seinem ikonischen Image von HL Tau wirklich offenbarte, mussten wir uns fragen, ob dies ein Ausreißer war, da die Festplatte vergleichsweise massiv und jung war. Diese jüngsten Beobachtungen zeigen, dass HL Tau, obwohl auffällig, alles andere als ungewöhnlich ist und tatsächlich die normale Entwicklung von Planeten um junge Sterne darstellt. “
Diese Forschung zeigt die Kraft, die modernste Instrumente und wissenschaftliche Kooperationen heute haben. Dank der Fähigkeit, mehr zu sehen und weiter zu sehen, können Wissenschaftler astronomische Theorien wie nie zuvor testen. Dabei werden unsere grundlegendsten Vorstellungen darüber, wie das Universum entstanden ist, bestätigt und in Frage gestellt.
Genießen Sie diese Animation, wie eine protoplanetare Festplatte aussieht, mit freundlicher Genehmigung des NRAO Outreach-Programms:
* Die anderen Leiter der ALMA-Beobachtungskampagne sind Andrea Isella von der Rice University, Laura Pérez von der University of Chile und Cornelis Dullemond von der Universität Heidelberg.
