Sternscheiben enthüllen uns die Geheimnisse des Auftretens von Planeten

Detaillierte Bilder von Scheiben, die sich um junge Sterne drehen, zeigen die Details des Aussehens des Sonnensystems.

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In den letzten zweieinhalb Jahrhunderten haben sich Wissenschaftler, die versucht haben, sich das Erscheinungsbild von Planetensystemen (einschließlich unseres) vorzustellen, auf einen bestimmten Punkt konzentriert: eine Scheibe, die sich um einen kürzlich geborenen Stern dreht , in dem Planeten aus Gas und Staub geformt sind , wie aus Ton auf einer Töpferscheibe.

Aber was ist mit der experimentellen Überprüfung dieser Idee, der wirklichen Entdeckung von Exoplaneten, die aus Stücken wirbelnder Materie zusammenkleben? Bisher erfolglos. "Heute sagen alle, dass Planeten aus protoplanetaren Scheiben gebildet werden", sagt Rubin Dong , Astrophysiker an der Arizona University. "Aber dieser Vorschlag ist streng genommen eine theoretische Aussage."

Die Erfolge der letzten Jahre deuten darauf hin, dass es nicht lange theoretisch bleiben wird. Mit Instrumenten der zweiten Generation, die sich auf riesigen bodengestützten Teleskopen befanden, konnten mehrere Teams schließlich das Innere mehrerer protoplanetarer Scheiben untersuchen und unerwartete und mysteriöse Bilder enthüllen.

Die jüngsten Beobachtungen fanden am 11. April statt, als das Europäische Südobservatorium acht Bilder von Scheiben veröffentlichte, die junge, sonnenähnliche Sterne umgeben, die uns vielleicht zeigen, wie unser Sonnensystem im Kindesalter aussah.

Die Bilder zeigen keine klaren, eindeutigen Lichtpunkte, die die Planeten anzeigen würden. Aber diese und andere Systeme enthalten immer noch verführerische, wenn auch indirekte Hinweise darauf, dass sich neugeborene Planeten in ihnen verstecken könnten. Einige Discs sehen aus wie eine Schallplatte mit Ringen und Lücken, die von jungen Welten geschnitzt werden könnten. Bei anderen Scheiben hebt der Stern die oberen und unteren Oberflächen hervor und bildet eine Struktur, die dem Jojo ähnelt.

Wenn Astronomen den Keim des Planeten an einem solchen Ort finden könnten, wäre der Gewinn erheblich. Dies würde nicht nur eine der tiefsten Ideen der Astronomie beweisen - eine numerische Messung des Ortes, an dem der Planet gebildet wird, und seiner Größe würde sofort helfen, die kriegführenden Theorien der Planetenbildung zu beurteilen.

Eine Meinung über die Bildung von Planeten wird als Akkretion des Kerns bezeichnet und besagt, dass sich Planeten langsam bilden und sich um felsige Kerne in Regionen in der Nähe ihres Sterns ansammeln. Eine andere Theorie bezieht sich auf die Gravitationsinstabilitäten der Scheibe, was darauf hindeutet, dass Riesenplaneten schnell und weit von ihrem Stern entfernt verklumpen können. Diese Ideen können nun an der Verteilung bekannter Planeten in unserem Sonnensystem und in extrasolaren Systemen getestet werden. Sie wurden jedoch nie am Beispiel des laufenden Prozesses untersucht, bevor die Planeten die Möglichkeit hatten, zu migrieren und ihre Ordnung neu zu ordnen.

Dies gibt Astronomen, die diese Systeme untersuchen, ein einheitliches, noch nicht erreichtes Ziel. Schauen Sie sich die stumpfen, entfernten, gezackten Räder an. Jagd nach jungen Planeten. Beginnen Sie schließlich nach Jahrhunderten der Vorfreude, die grundlegenden Prozesse aufzudecken, die die Welten im Universum formen.

Direkte Erkennung

Bei der Suche nach Planeten in protoplanetaren Scheiben ist es leicht, sich davon zu überzeugen, dass wir sie sehen. Astronomen, die diese Scheiben studieren, haben bereits viele Lichtpunkte bemerkt, die sich in ihnen verstecken. Beispielsweise berichtete eine internationale Gruppe am 6. Mai über Anzeichen eines riesigen Planeten, der sich im CS-Chamäleon-System versteckt. Diese Punkte bleiben jedoch vorerst Kandidaten für Planeten und werden von den Welten nicht bestätigt.


Das Chameleon CS-System verbirgt etwas, das wie ein kleiner Begleiter aussieht - markiert mit einem gepunkteten Kreis. Spezielle Polarisationsfilter (blaues Bild) ermöglichen es, die Staubscheibe mit einem versteckten Objekt zu sehen.

"Wir sind jetzt an der Spitze der Technologie", sagte Catherine Folett , Astronomin am Amherst College. "In Bezug auf die Planeten in den Scheiben sind absolut alle diese Fälle Gegenstand hitziger Debatten."

Eines der führenden Suchwerkzeuge ist SPHERE , das am Very Large Telescope in Chile in der Atacama-Wüste montiert ist. Er hat kürzlich acht Fotos von protoplanetaren Scheiben gemacht. Das andere, auf dem Folett läuft, ist der Gemini Planet Imager (GPI), ein konkurrierendes Tool, das sich auf einem anderen Berg in Chile befindet.


Die Scheibe um TW Hydra hat Ringe, die uns die dort versteckten Planeten zeigen können.

Beide wurden entwickelt, um Photonen von Planeten einzufangen, die andere Sterne umkreisen, im Gegensatz zu den meisten anderen Exoplanetenstudien, die auf indirekten Merkmalen beruhen. Beide erzeugen Daten, die nach dem Training auf älteren und ordentlichen Sternensystemen am einfachsten zu interpretieren sind, wobei die Festplatten bereits weg sind.

Diese Kameras müssen in der Lage sein, schwache Lichtpunkte von hellen Sternen zu trennen - es ist, als würde man eine Glühwürmchen am Rand eines entfernten Scheinwerfers finden. Sie verwenden eine adaptive Optik , eine Technologie, die atmosphärische Schwankungen verfolgt und die Optik nach Bedarf modifiziert, um Verzerrungen auszugleichen. Dies kompensiert die Wirkung der bewegten Luft der Erde und die Sterne in den Bildern hören auf zu blinken, was zu einer besseren Auflösung führt. Sie verwenden auch Koronographen , um das vom Stern kommende Licht abzuschneiden.

Darüber hinaus verwenden diese Kameras, die nach Planeten suchen, einen anderen Trick - die differenzielle Bildgebung. Zum Beispiel nimmt SPHERE gleichzeitig zwei Fotos durch verschiedene Polarisationsfilter auf. Das Licht der Sterne hat keine Polarisation, daher sieht der Stern in beiden Bildern gleich aus. Es kann abgezogen werden. Aber wenn das Licht gestreut wird, ist es polarisiert. Auf diese Weise können Astronomen Photonen isolieren, die von einer Scheibe oder einem Planeten reflektiert werden.

Dann suchen die Algorithmen nach den verbleibenden Punkten der Welt. Bei Planeten auf Scheiben kann der Algorithmus jedoch Klumpen und Wolken mit neuen Welten verwechseln.


Die konzentrischen Kreise, die den jungen Stern HD 163296 umgeben, werden höchstwahrscheinlich von Planeten mit einem Gewicht von ungefähr Saturn erzeugt, die ganze Bereiche von Gas und Staub reinigen.

Folette und Kollegen haben in den letzten Jahren versucht, diese falschen Signale zu analysieren. Sie untersuchten auch mysteriöse Planetenkandidaten, einschließlich solcher, die sich nicht wie alle normalen Planeten gemäß Keplers Bewegungsgesetzen in Umlaufbahnen um ihren Elternstern zu bewegen schienen.

In der Zwischenzeit öffnet sich ein weiterer Weg zu den Planeten. Obwohl SPHERE und GPI keine endgültige Bestätigung der aufstrebenden Welt fanden, gelang es ihnen, die klarsten Fotos von protoplanetaren Scheiben zur Verfügung zu stellen.

Als wir diese Scheiben schließlich im Detail sahen, entdeckten wir in ihnen einen ganzen Zoo mit seltsamen Merkmalen, die mit der Bildung von Planeten verbunden sein können. "Dies hat das ganze Bild völlig verändert", sagte Konstantin Batygin , Astrophysiker am California Institute of Technology. "Es gab eine Revolution."

Das Problem besteht darin, diese Merkmale mit den vermeintlichen Planeten zu vergleichen, die sie verursachen. Und das ist ziemlich schwierig. "Wir sprechen von Scheiben als Zeichen von Planeten", sagte Folette. "Aber wenn dies Zeichen der Planeten sind, wissen wir noch nicht, wie wir sie interpretieren sollen."

Spiralwiege

Betrachten Sie das erstaunliche Bild, das erstmals 2012 entdeckt wurde . In mindestens sechs protoplanetaren Scheiben verwandelt etwas Gas und Staub in spiralförmige Spiralen oder in die Hülsen von Galaxien.


Die den jungen Stern des HL-Stiers umgebende protoplanetare Scheibe hat viele konzentrische Ringe. Astronomen glauben, dass Planeten im Entstehungsprozess komplexe Strukturen darin ausschneiden.

Astronomen haben zwei Hauptideen, um zu erklären, was diese Spiralarme erzeugt. Beide basieren auf der alten, jahrzehntealten Theorie der galaktischen Spiralen. Nach dieser Idee drehen sich Gas und Staub um einen neugeborenen Stern und beginnen sich in der Gestalt eines himmlischen Staus anzusammeln. Aber etwas sollte eine primäre Störung verursachen.

Astronomen haben vorgeschlagen, dass in Sternen, die von schweren Scheiben umgeben sind - wie zum Beispiel mindestens ein Viertel des Sterns selbst wiegen - schwerkraftinstabile Abschnitte zur Ansammlung von Material in Form von Spiralarmen führen können. Die Forscher fanden jedoch viele Spiralscheiben, deren Masse viel unter dieser Schwelle liegt, was bedeutet, dass hier ein anderer Mechanismus funktionieren sollte.

Vielleicht lohnt es sich, dem versteckten Puppenspieler die Schuld zu geben. 2015 erstellte ein Team unter der Leitung von Dong, einem Astrophysiker aus Arizona, Simulationen , die zeigten, wie riesige Planeten, die etwas größer als Jupiter sind, dazu führen können, dass spiralförmige Strudel entstehen. Der Planet wird sich direkt an der Spitze eines der Arme befinden und die Spirale hinter sich ziehen und sich in der Umlaufbahn bewegen. In diesem Fall ist jede Spirale ein riesiger Pfeil, der auf das Opfer zeigt - ein Planet im Entstehungsprozess.

Im Jahr 2016 fand das Dong-Team Hinweise darauf, dass diese Spiralen von massiven Körpern erzeugt werden könnten. In diesem Fall war das auslösende Objekt des Sterns HD 100453 ein Zwergstern, der leichter zu erkennen ist als der Planet. Und sie wurde ein Beweis für die Realisierbarkeit der Idee. "Danach vertrauten die Leute diesem Modell mehr", sagte Dong.

Einen solchen Planeten an der Spitze des Ärmels zu finden, würde dieses Ding schließen, aber Astronomen erwarten es immer noch. In einem kürzlich in The Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Artikel sammelte und analysierte ein Team unter der Leitung von Bean Wren , einem Forscher an der Johns Hopkins University, Daten zur MWC 758-Spirale, die seit mehr als zehn Jahren gesammelt wurde.


Die den Stern von MWC 758 umgebenden Spiralarme könnten von einem riesigen Planeten erzeugt werden, der sich am Ende eines der Arme befindet

Die Analyse von Wren zeigt, dass sich die Locken während dieser Zeit ein wenig drehen können, etwa 6/10 Grad pro Jahr. Diese Drehung entspricht einem riesigen Planeten an der Spitze einer Hülse, die sich alle 600 Jahre dreht, sagte Ren. Aber wenn ein solcher Planet existiert, versteckt er sich immer noch vor uns.

Selbst wenn die Spiralen eindeutig mit den Planeten verbunden sind, werden sie uns natürlich nicht in alle neugeborenen Welten führen. In Simulationen sind nur Gasriesen stark genug, um Spiralmuster zu erzeugen. Kleinere Welten müssen auf andere Weise entdeckt werden. Darüber hinaus haben nicht alle protoplanetaren Scheiben Spiralen.

Zum Beispiel haben in keiner der neuen SPHERE-Fotografien Scheiben, die um sonnenähnliche Sterne gebildet wurden, Spiralarme. Wie Henning Avenhaus vom Max-Planck-Astronomischen Institut sagte, deutet dies darauf hin, dass das Auftreten von Spiralen bei massereicheren Sternen effektiver ist. Aber sie und viele andere protoplanetare Scheiben zeigen etwas anderes, vielversprechenderes: Pausen.

Planeten in den Rissen

Im Herbst 2014 beschlossen Astronomen, ALMA, eine Reihe von Platten von Radioteleskopen in den chilenischen Anden, zu überprüfen, sie auf der massereichsten protoplanetaren Scheibe zu trainieren, die sie finden konnten. Als das letzte Bild mit Tränen und dicken Ringen im HL Taurus-System angezeigt wurde, erstarrten alle.

"Und wir haben den Rest des Treffens damit verbracht, über HL Taurus zu sprechen", sagte Lucas Chiesa , Astronom an der Diego Portales University. Die versammelten Wissenschaftler untersuchten die Lücken und diskutierten darüber, ob sie von Planeten erschaffen wurden. Später untersuchten Wissenschaftler mit ALMA Bilder eines anderen nahe gelegenen Systems, TW Hydra, auf denen dieselben Lücken noch detaillierter sichtbar waren. Aber keines der Systeme konnte die Debatte darüber lösen, ob die Brüche durch die sich bildenden Planeten oder irgendetwas anderes verursacht wurden. "Es gibt immer noch Debatten", sagte Chiesa.


Die 66 Antennen des ALMA-Observatoriums untersuchen den Himmel über ihnen auf dem Chinantor-Plateau in den chilenischen Anden.

Wie Spiralen können Planeten und andere Effekte die Form des Gases verändern. Ein Planet für Tausende und Millionen von Jahren wird eine Furche in ihn schneiden. Wenn es sich im Orbit bewegt, zieht es das Plattenmaterial an sich selbst und streut es aus dem Orbit , wobei ein leerer Ausschnitt verbleibt.

Diese Schwerkraftgravur muss kumulativ sein. Das Erstellen einer Spirale erfordert mehr als Jupiter - aber Welten von der Größe von Neptun oder sogar so klein wie die Erde können spürbare Kerben erzeugen, sagte Jeffrey Fang , Astrophysiker an der University of California in Berkeley.

"Alle diese Planeten haben das Potenzial, ausreichend tiefe Ausschnitte zu erstellen, damit wir sie mit den heutigen Werkzeugen leicht sehen können", sagte er. Was wichtig ist, diese Ausschnitte könnten in naher Zukunft unsere einzige Chance sein, die Bildung kleiner Planeten zu untersuchen, die auf der Scheibe noch schwieriger zu erkennen sein werden als Welten von der Größe des Jupiter.

Was kann solche Abschnitte erzeugen, wenn nicht Planeten? Das Magnetfeld der Scheibe kann turbulente Bereiche erzeugen, die das Material aus Bereichen beschleunigen, die zu leeren magnetischen "Totzonen" werden können. Oder abrupte Änderungen der chemischen Zusammensetzung können eine Lücke schaffen, die der Arbeit des Planeten ähnelt. Beispielsweise markiert die Schneegrenze des Sternensystems die Grenze zwischen der heißen inneren Scheibe, an der Wasser in Form von Dampf vorliegt, und der äußeren Scheibe, an der Wasser zu festem Granulat gefriert. Ähnliche Übergänge treten bei anderen Substanzen auf, beispielsweise Kohlenmonoxid und Ammoniak.

Diese Verwirrung zwingt Astronomen, den Schlüssel zu einer Antwort zu suchen. "Bestenfalls werden wir den Planeten tatsächlich auseinander sehen", sagte Fang. Technisch gesehen wäre die derzeitige Technologie nicht in der Lage, den Planeten selbst zu sehen, sondern eine Materialscheibe, die um den Planeten herum auf ihn fällt. Wenn ein solches Signal mit einer Spirale oder einer Lücke verbunden sein könnte, würde dies den Beobachtern helfen, neue Welten und Platteneigenschaften besser miteinander zu vergleichen.

Warten Sie, vielleicht nicht lange. "Die interessantesten Fotos, die ich gesehen habe, wurden noch nicht veröffentlicht", sagte Chiesa, der sich weigerte, auf Details einzugehen. "In den kommenden Monaten können wir viele sehr interessante Dinge erwarten."

Teleskope der nächsten Generation sollten ebenfalls helfen können. Das James Webb-Weltraumteleskop kann auf Infrarotwellen in die Scheiben schauen und die Planeten direkt finden. Der Start wurde kürzlich erneut verzögert, diesmal für 2020.


Das extrem große Teleskop, das derzeit in Chile gebaut wird, wird mithilfe von Lasern künstliche „Sterne“ in der oberen Atmosphäre erzeugen, mit denen Forscher das Flackern des Himmels entfernen können.

Das Problem, den Prozess der Planetenbildung einzufangen, ist „eine hervorragende wissenschaftliche Herausforderung“ für 30-Meter-Teleskope, sagte Bruce McIntosh von der Stanford University, der das GPI-Team leitet. Observatorien dieser Größe, wie das extrem große Teleskop , das derzeit in Chile gebaut wird, können noch kleinere Strukturen innerhalb der protoplanetaren Scheiben untersuchen.

Und wenn dies geschieht, wird es ein „Durchbruch“ sein, die Beobachtung der Planetenbildung anzuerkennen, sagte Dong. Was eine mathematische Geschichte über die Geburt von Welten war, wird in Echtzeit in realen Daten abgespielt. "Und das alles hängt mit der Grundfrage unserer eigenen Herkunft zusammen."