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Astronomie+Physik

Ein Trio von Baby-Planeten

Protoplanetare Scheibe
Diese Aufnahme der ALMA-Teleskope zeigt die Scheibe aus rotierendem Staub und Gas um den jungen Stern HD 163296. (Foto: ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF))

Die Entdeckung neuer Exoplaneten ist inzwischen fast schon Routine – nicht aber der Blick auf Planeten, die gerade erst dabei sind zu entstehen. Gleich drei solcher Planetenembryos haben nun Astronomen mithilfe des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) aufgespürt. Sie verbergen sich in der Gas- und Staubscheibe eines 330 Lichtjahre entfernten jungen Sterns. Die bei ihrer Entdeckung eingesetzte Methode könnte Astronomen künftig ganz neue Einblicke in solche Planetenkinderstuben liefern.

Auch unsere Erde und die anderen Planeten des Sonnensystems waren einst kaum mehr als lokale Klumpen in der Urwolke um die junge Sonne. Denn erst diese rotierenden Gas- und Staubscheiben liefern das „Baumaterial“ für neue Planeten. Durch allmähliche Akkretion von Gesteinsbrocken oder auch lokalen Kollaps von Gas und Staub bilden sich die Planetenembryos in dieser protoplanetaren Scheibe. Solche Baby-Planeten inmitten der wirbelnden Staub- und Gasmassen aufzuspüren, war bisher jedoch für Astronomen schwierig. Meist dienten verräterische Lücken im Staub der Scheiben als Anhaltspunkte. „Weil aber auch andere Mechanismen solche ringförmigen Lücken erzeugen können, ist es unmöglich, allein anhand der allgemeinen Struktur der Staubscheiben auf die Präsenz von Planeten zu schließen“, erklärt Richard Teague von der University of Michigan. Zudem liefern die Lücken keine verlässlichen Hinweise auf die Masse der Planetenembryos.

Gasströme statt Staublücken

Deshalb haben Teague und sein Team sowie ein zweites Team um Christophe Pinte von der Monash University in Australien jetzt eine andere Methode ausprobiert – mit Erfolg. Dafür beobachteten sie einen rund 330 Lichtjahre entfernten Stern mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA). Der Stern HD 163296 hat etwa die doppelte Masse der Sonne, ist aber nur vier Millionen Jahre alt – nur ein Tausendstel des Alters der Sonne. Umgeben ist dieses Sternen-„Baby“ von einer dichten Staub- und Gasscheibe. Und hier setzt nun die neue Methode an: Statt die Staubstrukturen zu betrachten, haben die Forscher Strahlung im Millimeter- Wellenlängenbereich analysiert, die von Kohlenmonoxid-Gas (CO) in der protoplanetaren Scheibe ausgeht. Die Bewegung dieses Gases hat normalerweise ein eher einfaches, vorhersagbares Muster. Entstehende Planeten erzeugen jedoch subtile Störungen in diesem Gasfluss – ähnlich wie Steine in einem Fluss das Wasser umlenken und dessen Fließtempo verändern.

Der Clou dabei: Mithilfe dieser Methode lassen sich selbst kleinste Veränderungen im Gasfluss orten. „Die Präzision ist erstaunlich“, sagt Co-Autor Til Birnstiel von der Universität München. Wenn das CO-Gas in einer protoplanetaren Scheibe mit rund fünf Kilometer pro Sekunde kreist, kann ALMA noch Abweichungen von wenigen Metern pro Sekunde entdecken. „Die Messung des Gasflusses innerhalb einer protoplanetaren Scheibe gibt uns viel mehr Sicherheit, dass Planeten um einen jungen Stern herum vorhanden sind“, erklärt Pinte. Teague ergänzt: „Dieser völlig neue Ansatz könnte einige der jüngsten Planeten in unserer Galaxie sichtbar machen, alles dank der hochauflösenden Bilder von ALMA.“

Drei Baby-Planeten auf einen Streich

Und tatsächlich: Beide Astronomenteams identifizierten verräterische Störungen in der Gasscheibe um den Stern HD 163296. Das Team um Teague entdeckte Gaswirbel, die auf zwei Planetenembryos hindeuten. Beide haben vermutlich etwa die Masse des Jupiter und umkreisen ihren Stern in 80 und 140 astronomischen Einheiten Entfernung. Zum Vergleich: eine astronomische Einheit entspricht dem Abstand der Erde zur Sonne. Das Team um Pinte wurde weiter außen in der protoplanetaren Scheibe fündig. Sie identifizierten einen weiteren, dritten Protoplaneten um HD 163296, der rund 260 astronomische Einheiten vom Stern entfernt kreist. Auch er besitzt etwa die Masse des Jupiter, wie die Forscher mithilfe von Modellrechnungen ermittelten.

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„Obwohl in den letzten Jahrzehnten schon Tausende von Exoplaneten entdeckt worden sind, ist die Identifizierung von Protoplaneten noch immer ein Grenzbereich der Wissenschaft“, sagt Pinte. Die jetzt eingesetzte neue Methode aber könnte das Aufspüren solcher Planetenembryos künftig deutlich einfacher machen. Zudem erlaubt es die neue Technik, die Protoplanetenmassen genauer abzuschätzen und liefert mit geringerer Wahrscheinlichkeit falsch positive Resultate, wie die Astronomen erklären. „Das wird uns auch dabei helfen zu verstehen, wie die Planeten in unserem eigenen Sonnensystem gebildet wurden“, sagt Co-Autor Francois Menard von der Universität Grenoble in Frankreich. Beide Teams wollen ihre Methoden weiter verfeinern und dann auch auf andere junge Sterne und ihre protoplanetaren anwenden.

Quelle: ESO; Richard Teague (University of Michigan) et al., Astrophysical Journal Letters, in press; Christophe Pinte (Monash University, Melbourne) et al., Astrophysical Journal Letters, in press

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