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Illustration des PDS 70-Systems. | Von Robert Lee (erstellt mit Canva)
Wie lässt sich das Gewicht eines Planeten bestimmen, der aus Lichtjahren Entfernung unsichtbar ist? Astronomen könnten die Antwort gefunden haben – und sie beinhaltet das «Lesen zwischen den Ringen», den hellen, wunderschönen Staubstrukturen, die neugeborene Exoplaneten um ihre jungen Sterne bilden.
Planeten entstehen im Allgemeinen aus Staub, Gas und winzigen Fragmenten, sogenannten Planetesimalen, die junge Sterne umgeben. Daher sind diese Welten in ihrem relativ jungen Stadium noch in diesem Ausgangsmaterial gefangen und umkreisen ihre Sterne in plattenartigen Strukturen, den protoplanetaren Scheiben. Jüngste Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass sich diese jungen Exoplaneten beim Umkreisen ihrer Muttersterne auch in diese Gas- und Staubscheibe hineinbilden.
Während ähnliche Ringe bereits zur Erkennung von Exoplaneten um Sterne eingesetzt wurden, schlägt diese neue Studie eine Methode vor, mit der sich die Eigenschaften von Exoplaneten mithilfe dieser Rillen tatsächlich bestimmen lassen.
«Wir wissen schon lange, dass sich Ringe aus konzentriertem Staub bilden können, der sich knapp außerhalb der Umlaufbahnen junger, eingebetteter Planeten ansammelt. Bislang konnten wir jedoch die Merkmale dieser Ringe nicht mit den Planetenmassen in Verbindung bringen», sagte Teamleiterin Amena Farooqi von der Arbeitsgruppe Astronomie und Astrophysik an der Universität Warwick in Großbritannien. «Durch die Analyse der Daten zwischen den Ringen haben wir eine Methode gefunden, die Massen ringbildender Planeten zu rekonstruieren, selbst wenn diese Planeten zu lichtschwach oder zu tief eingebettet sind, um direkt beobachtet zu werden.«.
«Diese hellen Ringe sind nicht nur schöne Strukturen, sie sind im Wesentlichen die Fingerabdrücke von Planeten.».
Erforschung eines staubigen Sternensystems
Der erste Schritt von Farooqi und seinen Kollegen bestand darin, mithilfe von Computermodellen abzuschätzen, wie die Massen von Exoplaneten die verschiedenen Ringformen in protoplanetaren Scheiben beeinflussen. Sie fanden heraus, dass die Breite der Staubringe und die Lage des hellsten Punktes innerhalb des Rings entscheidende Faktoren für die Bestimmung der Eigenschaften schwer fassbarer Exoplaneten sind.
Bemerkenswerterweise bleibt der Zusammenhang zwischen der Masse eines Planeten und der maximalen Helligkeit des von ihm erzeugten Staubrings unabhängig von der Wellenlänge des beobachteten Lichts sowie der Größe der Staubkörner im Ring bestehen. Das bedeutet, dass Astronomen die genauen Bedingungen um einen jungen Stern nicht kennen müssen, um die Masse seiner Exoplaneten abzuschätzen.
Das PDS-70-System, aufgenommen vom Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). | Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.
Die Wissenschaftler testeten ihre neue Technik, indem sie sie auf das Planetensystem PDS 70 anwandten, das sich in einer Entfernung von etwa 370 Lichtjahren befindet und von Astronomen mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), einem 66 Antennen umfassenden Array im Norden Chiles, untersucht wird.
«Einer der Vorteile dieser Arbeit ist, dass sie nicht auf die Theorie beschränkt ist – wir konnten die Simulationsergebnisse direkt auf reale, beobachtbare Systeme anwenden», erklärte Jessica Speedy vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in einer Stellungnahme. «Insbesondere die Nutzung des PDS-70-Systems als Beobachtungslabor ermöglichte einen Praxistest des Ansatzes und gab uns die Zuversicht, dass diese Methoden in naher Zukunft tatsächlich für eine breite Anwendung bereit sind.».
PDS 70 erwies sich als nützliches Studienobjekt, da es mindestens zwei Exoplaneten, PDS 70 b und PDS 70 c, enthält und direkt abgebildet wurde. Mit dieser Methode konnte die Masse von PDS 70 c abgeschätzt werden, was mit aktuellen Schätzungen von etwa 7,5 Jupitermassen übereinstimmt. Die Ergebnisse der Studie lieferten zudem unerwartete Erkenntnisse über Planetenentstehungsprozesse und warfen Fragen auf, auf die Astronomen mit großem Interesse antworten werden.
«Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis der Modellierung ist, dass in typischen Scheiben massereichere, sich bildende Planeten Staub in Ringen mit bis zu 20 Erdmassen einfangen können», erklärte Ralph Pudritz vom Fachbereich Physik und Astronomie der McMaster University in einer Stellungnahme. «Dies bestätigt die ALMA-Beobachtungen, wirft aber die Frage auf, warum in dem eingefangenen Staub und den Kieselsteinen im Ring keine neuen Planeten entdeckt wurden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Staub in ausreichender Menge und Konzentration vorhanden ist, um potenziell die Planetenentstehung auszulösen. Dies ist eine wichtige Entdeckung, die zu weiteren Beobachtungen und theoretischen Studien führen wird.».
Letztendlich könnte diese neue Technik und ihre Fähigkeit, junge Planetensysteme zu untersuchen, uns auch helfen zu verstehen, wie unser eigenes Planetensystem vor etwa 4,6 Milliarden Jahren entstanden ist.
«Was mich am meisten begeistert, ist der Zeitpunkt. Da ALMA immer detailliertere Bilder der Scheiben liefert und bald neue Observatorien zur Verfügung stehen, ist jetzt der perfekte Zeitpunkt, diese Methoden zu entwickeln», sagte Teammitglied Farzana Meru vom Fachbereich Physik der Universität Warwick. «Die Kombination unserer staubbasierten Diagnostik mit Gasdruckmessungen wird ein völlig neues Fenster zu den verborgenen Planeten öffnen, aus denen diese Scheiben bestehen, und zu den vielfältigen Planetensystemen, die sich daraus schließlich entwickeln werden.».
Die Ergebnisse des Teams wurden am Donnerstag (28. Mai) im Astrophysical Journal veröffentlicht.