Die Strukturen rund um IRS 63. (Segura-Cox et al., Nature, 2020) Sterne entstehen, wenn dichte Wolken aus interstellarem Material unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren und sich zu flachen Scheiben drehen, aus denen schließlich kleine Sterne entstehen. Jetzt wurden zum ersten Mal Hinweise auf eine Planetenentstehung um einen so jungen Protostern entdeckt, dass die Wolke aus übriggebliebenem Staub und Gas immer noch in ihn hinein kollabiert und die Scheibe sich immer noch bildet.
Dies ist die früheste Entdeckung solcher Strukturen in einem protostellaren Ring und es deutet darauf hin, dass die Planetenentstehung früher beginnt als wir dachten, bevor das entstehende System überhaupt 500.000 Jahre alt ist.
Der junge Protostern heißt IRS 63 und befindet sich 470 Lichtjahre entfernt in der Sternentstehungsregion Rho Ophiuchi – einer Sternentstehungsregion, in der der Staub dick genug ist, um rotierende Klumpen zu bilden, aus denen schließlich Sterne entstehen.
IRS 63 gehört zur Klasse I des Sternentstehungsprozesses und ist weniger als eine halbe Million Jahre alt. Es hat die Hauptakkretionsphase hinter sich und hat den größten Teil seiner endgültigen Masse; Er leuchtet hell im Millimeterwellenbereich und ist außerdem einer der hellsten Protosterne seiner Klasse.
Darüber hinaus verfügt IRS 63 über eine große Scheibe, die sich über etwa 50 astronomische Einheiten erstreckt. Diese Eigenschaften und seine Nähe machen das Objekt zu einem hervorragenden Ziel für die Untersuchung der Sternen- und Planetenentstehung.
Die Sternentstehungsregion Rho Ophiuchi. ( ESO/Digitalized Sky Survey 2 )
Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Chile – einem Radioteleskop mit einem hervorragende Erfolgsbilanz Frühe Planetenentstehung zu erkennen – ein Team unter der Leitung des Astronomen Dominique Segura-Cox vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland hat den Stern und die ihn umgebende Staubwolke genauer untersucht.
Dort, in der wirbelnden Scheibe, fand das Team eine Überraschung: zwei dunkle konzentrische Lücken rund um den Protostern – was Astronomen als Zeichen der Planetenentstehung betrachten.
Die Planetenentstehung ist ein kaum verstandener Prozess. Das beliebteste Modell ist die Kernakkretion – Staubkörner in der Scheibe sammeln sich nach und nach an und kleben zunächst elektrostatisch und dann gravitativ zusammen, wenn der Körper immer größer wird. Dabei saugt der Protoplanet das gesamte Material entlang seiner Umlaufbahn auf und erzeugt so eine Lücke in der zirkumstellaren Scheibe.
Solche Lücken wurden in fast allen Discs festgestellt, die wir mit ausreichend hoher Auflösung abgebildet haben. Es gibt jedoch ein großes Problem mit dem Modell: Es dauert sehr lange, bis sich Planeten auf diese Weise bilden, und protostellare Scheiben, die älter als etwa eine Million Jahre sind, scheinen nicht über genügend Material zu verfügen um die bekannte Exoplanetenpopulation zu bilden .
Astronomen haben über 35 protostellare Systeme der Klasse II im Alter von etwa einer Million Jahren gefunden, die ihre großen Staubwolken verloren haben, aber immer noch protostellare Scheiben aufweisen und deutliche Lücken darin aufweisen. Die Tatsache, dass sie bereits bei einem Alter von nur 1 Million Jahren solch gut entwickelte Lücken aufweisen, deutet darauf hin, dass der Prozess der Planetenentstehung bereits in vollem Gange ist, wenn die Sterne dieses Alter erreicht haben.
Wenn die von Segura-Cox und ihrem Team entdeckten Strukturen von Planeten erzeugt werden, würde dies diese Idee unterstützen und eine Lösung für das Problem der fehlenden Masse in der protostellaren Scheibe bieten.
„Aktuelle Messungen der Staubmasse von Scheiben der Klasse II deuten auch darauf hin, dass der beobachtete Staubabbau dadurch erklärt werden könnte, dass in Planetesimalen auf Zeitskalen von weniger als 0,1 bis 1 Million Jahren beträchtliche Masse eingeschlossen wird.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
Im Vergleich zu den Lücken in diesen Klasse-II-Scheiben weisen die Lücken in der Scheibe um IRS 63 einen geringeren Kontrast auf, was darauf hindeutet, dass sie mehr Material enthalten. Daher befinden sich die mutmaßlichen Protoplaneten in diesen Lücken in einem früheren Entwicklungsstadium.
(Segura-Cox et al., Nature, 2020)
Das Team berechnete auch die potenziellen protoplanetaren Massen, die erforderlich sind, um die gesehenen Lücken zu verursachen. Die nähere Lücke zum Stern, in einer Entfernung von 19 Astronomischen Einheiten, sollte von einem Objekt mit der 0,47-fachen Masse von erzeugt worden sein Jupiter . Die weiter entfernte Lücke, bei 37 Astronomischen Einheiten, dürfte von einem Objekt mit der 0,31-fachen Masse des Jupiters geschnitzt worden sein.
Bei diesen Massen handelt es sich um die Obergrenzen, aber selbst die unteren Schätzungen wären bereits beträchtlich große Körper – die Erde hat das 0,003-fache der Masse des Jupiters. Dies ist unerwartet, da es in unseren Planetenmodellen erhebliche Hindernisse für eine solch schnelle Akkretion gibt.
Eine alternative Erklärung, so die Forscher, ist, dass die Planetenbildung noch nicht begonnen hat. Stattdessen könnten die Lücken durch ein Phänomen entstehen, das als Radialdrift bekannt ist: Gas in der Scheibe erzeugt einen Widerstand, der dazu führt, dass Staub- und Gesteinspartikel ihren Drehimpuls verlieren und beginnen, auf den Stern zuzudriften. Dies wird tatsächlich als Hindernis für die Planetenentstehung angesehen, da sich der Planet schneller bilden muss als die radiale Drift.
Die Dichte des Gases ist jedoch nicht unbedingt gleichmäßig, und ein lokales Maximum in der radialen Oberflächendichte des Gases kann eine „Falle“ für Staub bilden. Es ist also möglich, dass die Lücken durch nach innen wandernden Staub entstehen und die dichteren Ringe in der Scheibe diese Gasdruck-Maxima-Fallen sind.
Nach dieser Interpretation könnten diese dicken, staubigen Ringe höhere Staub-Gas-Verhältnisse erreichen, was zu Zonen beschleunigter Akkretion führen würde – sie ähneln also Protoprotoplaneten.
In jedem Fall ist das, was das Team in der Scheibe um IRS 63 beobachtet hat, wahrscheinlich das Ergebnis der Planetenentstehung – womit der Beginn des Prozesses auf einer viel früheren Zeitachse liegt, als wir sie jemals zuvor gesehen haben.
„Selbst im konservativsten Fall [..] sind diese Merkmale Anzeichen dafür, dass sich Staub an bestimmten Radien in der Scheibe ansammelt.“ „Es ist wahrscheinlich, dass die Struktur der Scheibe einen Einfluss auf die Planetenentwicklung hat, beginnend in der frühen Phase der Sternentstehung“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Protosterne der Klasse I bleiben in einer größeren Hülle aus Gas und Staub eingebettet, die die Scheibe mit der Ansammlung von Material auffüllen kann, was darauf hindeutet, dass es wahrscheinlich ist, dass Planeten und Protosterne entstehen, wenn die Planetenbildung in der Scheibe von IRS 63 bereits begonnen hat.“ wachsen und entwickeln sich von Anfang an gemeinsam.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .