12.08.2020

Protoplanetare Heizung

Die Herkunft von Aluminium-26 im frühen Sonnensystem könnte in Schockwellen der protoplanetaren Scheibe liegen.

Man geht davon aus, dass der Zerfall des radioaktiven Isotops Aluminium-26 eine wichtige Wärmequelle in den Planetesimalen, den Bausteinen der Planeten, darstellt und dazu beiträgt, die Anfangs­bedingungen für die Entstehung des Sonnensystems festzulegen. Darüber hinaus gilt Aluminium-26 als eine der wichtigsten „Uhren“ zur Datierung von Sonnen­system­körpern. Seit seiner Entdeckung im Allende-Meteoriten im Jahr 1976 wurde ausführlich darüber diskutiert, woher die beträchtliche Menge dieses Isotops im frühen Sonnensystem stammt. Es wurde der Transport von äußeren Quellen wie Supernovae und Winden von massereichen Sternen vorgeschlagen. Diese Szenarien erfordern jedoch grundsätzlich viel Zufall, um Sonnensystem-ähnliche Planeten zu bilden. Ein internationales Team von Wissenschaftlern der Universität zu Köln und der University of Texas, Austin, hat nun eine Erklärung vorgeschlagen, die keiner äußeren Quelle bedarf: Das Aluminium-26 Isotop wurde in der inneren protoplanetaren Scheibe durch Protonen der kosmischen Strahlung gebildet, die in Schockwellen beschleunigt wurden, die durch auf den Stern fallendes Material erzeugt wurden. Diese Schocks entstehen durch den Aufprall von Gas, das vom Rand der Scheibe auf den Protostern strömt. 

Abb.: Aufnahme einer proto­stellaren Scheibe mit dem Atacama Large...
Abb.: Aufnahme einer proto­stellaren Scheibe mit dem Atacama Large Millimeter/submilli­meter Array (Bild: ALMA, ESO / NAOJ / NRAO / Lee et al.)

„Dieser Artikel entspringt einer spontanen Idee, die durch einen Vortrag im Rahmen der Kolloquiums­reihe des Sonder­forschungs­bereichs 956 hier an der Universität zu Köln ausgelöst wurde“, erzählt Stefanie Walch. „Ich finde insbesondere, dass er dem Geist meines ERC Starting Grant Radfeedback entspricht, in dessen Rahmen diese Forschung durchgeführt wurde. Auf diese Weise macht Wissenschaft wirklich Spaß“, so Stefanie Walch.

„Unter Astrophysikern gibt es seit langem eine Debatte über den Ursprung des Aluminium-26 im Sonnensystem, insbesondere in Kalzium-Aluminium-Einschlüssen, wie sie in Meteoriten gefunden werden“, erklärt Brandt Gaches von der Universität zu Köln. „Supernovae oder frühe Sonnen­aktivität waren vorgeschlagen worden. Aber die Lösungen, die bisher präsentiert wurden, hatten einige Probleme“, sagt Gaches. „Deshalb wollten wir einen allgemeinen Mechanismus dafür entwickeln.“ 

Während das Aluminium-26 in Meteoriten nicht mehr direkt gemessen werden kann, da es längst zerfallen ist, kann es durch überschüssige Mengen von Magnesium-26, dem Tochter­isotop von Aluminium-26, abgeleitet werden. Es scheint ein ziemlich konstantes Verhältnis zum Isotop von Aluminium-27 zu haben. Seit der Entdeckung von Aluminium-26 in Meteoriten haben Forscher erheblichen Aufwand betrieben, um einen plausiblen Anreicherungs­mechanismus zu finden. Ein solcher Mechanismus sollte nicht nur in der Lage sein, die Existenz von Aluminium-26 zu erklären, sondern auch das feste Verhältnis zwischen Aluminium-26 und Aluminium-27. 

Aufgrund seiner geologisch kurzen Halbwertszeit von etwa 770.000 Jahren muss Aluminium-26 kurz vor der Kondensation der ersten festen Materie im Sonnensystem in der proto­planetaren Scheibe der jungen Sonne gebildet oder eingemischt worden sein. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Planeten wie der Erde, da es durch radioaktiven Zerfall genügend Wärme liefern kann, um differenzierte Körper zu erzeugen und dazu beitragen kann, die frühen Planetesimale auszutrocknen, um die wasserarmen Gesteins­planeten wie die im Sonnensystem zu erzeugen.

Die Anreicherung von Aluminium-26 erfolgt durch hochenergetische Zusammen­stöße von Mutterkernen, wie Aluminium-27 und Silizium-28, mit Protonen oder massiverer kosmischer Strahlung. Abschließend berechneten Gaches und seine Kollegen die Bedingungen, unter denen die kosmische Strahlung mit dem Material in der Akkretionsscheibe wechselwirken könnte, um das radioaktive Isotop zu erzeugen. Kosmische Strahlungs­teilchen sind hochenergetische Protonen, die sich mit nahezu Licht­geschwindigkeit durch den Raum bewegen. Sie stammen von der Sonne oder von Quellen außerhalb des Sonnensystems. Die Forscher gehen davon aus, dass die kosmische Strahlung durch das mehrfache Durchqueren der Schockfront beschleunigt wird, wobei sie bei jeder Durchquerung impulsartig an Schwung gewinnt. Sie bestrahlen die Scheibe, und so wird das Gas in der inneren Scheibe mit Aluminium-26 angereichert.

„In unserer Arbeit schlagen wir einen neuen Mechanismus vor: die Anreicherung der Oberfläche proto­stellarer Scheiben während der Klasse I/II-Phase durch Protonenbestrahlung mit kosmischer Strahlung, die in den Akkretions­schocks junger Protosterne beschleunigt wird“, erklärt Gaches. Gaches und seine Kollegen konzentrierten sich auf die Übergangszeit zwischen zwei frühen Phasen des Proto­sterns der Klassen I und II, während der der bereits existierende Zentralstern mehr Material sammelt und eine Scheibe bildet, die in ihrem inneren Teil etwas abzukühlen beginnt. Protosterne durchlaufen während des Übergangs zwischen den Phasen der Klasse I und II Perioden geringer Akkretion. 

Unter diesen Bedingungen fällt Gas aus der Scheibe auf den zentralen Protostern, das wahrscheinlich den Magnet­feldlinien des Protosterns folgt. Dies verursacht eine Schockwelle, den Akkretionsschock, wenn das einfallende Gas auf das dichte Material in der Nähe des entstehenden Sterns trifft. Die kosmische Strahlung wird durch den Akkretionsschock beschleunigt. Die Wissenschaftler berechneten verschiedene Modelle des Prozesses. Laut den Modellen sind niedrige Akkretions­raten in der Lage, die erforderlichen Mengen an Aluminium-26 zu erzeugen, und dass das Verhältnis Al-26 zu Al-27, das im Sonnensystem vorhanden ist, erreicht werden kann. 

Der vorgeschlagene Mechanismus ist allgemein gültig für eine breite Palette von Sternen mit geringer Masse, von M-Zwergen bis hin zu Sternen vom Sonnentyp. Diese Sterne sind von besonderem Interesse, da man die Mehrzahl der Exoplaneten in deren Scheiben entdeckt hat. „Kosmische Strahlung, die durch Akkretion auf Protosterne beschleunigt wurde, könnte in vielen Planeten­systemen einen allgemeinen Weg für die 26Al-Anreicherung bieten“, so Gaches abschließend. „Und es ist eine der großen Fragen, ob der vorgeschlagene Mechanismus der Beschleunigung durch Schock­wellen in Protosternen beobachtet werden kann.“ Die Wissenschaftler bewiesen ihre Vermutung anhand des Modells einer statischen Scheibe, sagt Gaches. „Nachdem wir nun gezeigt haben, dass dieser Mechanismus funktioniert, könnte er in ausgefeiltere Scheiben­modelle einbezogen werden, um die Details des Prozesses der Bildung von Aluminium-26 noch genauer zu verstehen.“

U. Köln / DE
 

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