Junger Stern backt Silikat-Kristalle

Seit zwei Jahrzehnten suchen die Astronomen nach einer Erklärung für die Existenz kristalliner Silikate in Kometen: Während Kometen in den äußeren, kalten Bereichen der protoplanetarischen Gas- und Staubscheibe entstehen, benötigen Silikatkristalle hohe Temperaturen für ihre Entstehung. Ein internationales Forscherteam berichtet in "Nature" nun erstmalig über Beobachtungen, die zeigen, wie ein junger Stern bei einem Strahlungsausbruch Silikat-Kristalle produziert. Und ein kroatischer Astronom präsentiert ebenfalls in "Nature" ein neues Szenario dafür, wie diese Kristalle in den Außenbereich der protoplanetarischen Scheibe gelangen können.

Abb.: An der inneren Kante der protoplanetarischen Scheibe entstehen durch Strahlungsausbrüche kristalline Silikate. Das Bild rechts zeigt, welche Kräfte auf große Staubpartikel wirken: Die Infrarot-Strahlung aus der Scheibe hebt die Partikel aus der Scheibe heraus, die Strahlung des Sterns treibt sie nach außen. (Bild: D. Vinkovic)

EX Lupi ist ein junger Stern, der unserer Sonne in ihrem Zustand vor viereinhalb Milliarden Jahren ähnelt. Er ist von einer dichten Gas- und Staubscheibe mit einem Loch in der Mitte umgeben und zeigt alle vier bis fünf Jahre Strahlungsausbrüche, bei denen sich seine Leuchtkraft für mehrere Monate um das Fünf- bis Zehnfache steigert. Péter Ábrahám vom Konkoly-Observatorium in Budapest und seine Kollegen hatten EX Lupi zunächst im Jahr 2005 in seiner Ruhephase beobachtet. Damals zeigten die mit dem Spitzer Space Telescope aufgenommenen Spektren keinerlei Hinweise auf kristalline Silikate in der Umgebung des jungen Sterns.

Ganz anders jedoch im April 2008, als die Astronomen EX Lupi genau während eines Ausbruchs erwischten. Nun plötzlich zeigten sich im Spektrum die charakteristischen Linien des Minerals Forsterit, eines kristallinen Silikats, das auch in Kometen unseres Sonnensystems vorkommt. "Wir sind vermutlich erstmals Zeugen des Kristallisationsprozesses geworden", erklärt Attila Juhász vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, einer der beteiligten Wissenschaftler. "Offenbar entstehen die Kristalle während der Helligkeitsausbrüche durch das Aufheizen und Ausglühen der Silikatteilchen nahe der Oberfläche der inneren, dicken Staub- und Gasscheibe."

Wie aber kommen die kristallinen Staubpartikel vom inneren Rand der protoplanetarischen Scheibe in die äußeren Regionen, wo Kometen entstehen? Eine Antwort darauf hat Dejan Vinkovic von der Universität Split gefunden: Die Partikel "surfen" gewissermaßen auf der Oberfläche der Scheibe nach außen. Der Forscher zeigt, dass die Infrarotstrahlung der heißen inneren Gas- und Staubscheibe Staubpartikel, die größer als ein Mikrometer sind, aus der Scheibe herausheben kann. An der Oberfläche der Scheibe trifft dann die Strahlung des Sterns auf die Staubteilchen und der Strahlungsdruck treibt sie nach außen. "Die Partikel treten erst dann wieder in die Scheibe ein, wenn die Temperatur der Scheibe so niedrig geworden ist, dass die Infrarotstrahlung den Staub nicht mehr aus der Scheibe herausheben kann", beschreibt Vinkovic den Vorgang.

Beide Arbeiten zusammen ergeben einen neuen Ansatz zum Verständnis der Entstehung der Silikat-Kristalle in Kometen. Unmittelbar nach ihrer Entstehung durch die Strahlungsausbrüche sind die Kristalle noch an der inneren Kante der Gas- und Staubscheibe konzentriert und prägen dem beobachteten Spektrum ihr charakteristisches Merkmal auf. Später vermischen sie sich durch den von Vinkovic beschriebenen Vorgang mit dem weiter innen liegenden Material, reichern es auf diese Weise bei jedem Ausbruch des Zentralsterns stärker mit kristallinen Silikaten an und können so auch in die weit außen entstehenden Kometen gelangen.

Rainer Kayser


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  P. Ábrahám et al., "Episodic formation of cometary material in the outburst of a young Sun-like star", Nature 459, 224 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature08004
• D. Vinkovic, "Radiation-pressure mixing of large dust grains inprotoplanetary disks", Nature 459, 227 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature08032
• M. P. Li, G. Zhao und A. Li, "On the crystallinity of silicate dust in the interstellar medium", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 382, L26 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1111/j.1745-3933.2007.00382.x
• G. H. Herbig, "Eruptive phenomena in early stellar evolution", Astrophysical Journal 217, 693 (1977) 
  http://dx.doi.org/10.1086/155615
• F. J. Ciesla, "Outward transport of high-temperature materials around the midplane of the solar nebula", Science 318, 613 (2007) 
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1147273
• Konkoly-Observatorium:
  http://www.konkoly.hu/ 
• Spitzer Space Telescope:
  http://www.spitzer.caltech.edu/ 
• Universität Split:
  http://www.unist.hr/

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