Schnee in fernem Planetensystem

Die Schneegrenze bestimmt, bei welchen Abständen sich erdähnliche Planeten oder Gasriesen um einen jungen Stern bilden können. Jetzt ist es erstmals gelungen, diese Grenzregion um den sonnenähnlichen Stern TW Hydrae abzubilden. Dessen Schneegrenze kann uns nicht nur mehr über die Entstehung von Planeten und Kometen verraten, sowie über die Faktoren, die ihre chemische Zusammensetzung bestimmen, sondern sich auch die Vergangenheit unseres Sonnensystems beleuchten.

Astronomen haben mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) die erste Aufnahme der Schneegrenze in einem jungen Planetensystem gewonnen. Auf der Erde bildet sich die Schneegrenze in großen Höhen, wo niedrige Temperaturen Luftfeuchtigkeit in Schnee verwandeln. An Bergen ist dies dort, wo der schneebedeckte Gipfel in nacktes Gestein übergeht, deutlich erkennbar.

Die Schneegrenzen um junge Sterne bilden sich auf ähnliche Art und Weise in den kalten Außenbereichen der Gas- und Staubscheiben, in denen Planetensysteme entstehen. Mit zunehmendem Abstand vom Stern friert zunächst Wasser aus und bildet die erste Schneegrenze. Weiter draußen, bei noch kühleren Temperaturen, frieren weitere Stoffe aus und werden zu Schnee, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid, Methan und Kohlenstoffmonoxid. In festem Zustand umgeben diese Stoffe Staubkörner mit einer Art klebriger Hülle. Sie spielen daher eine entscheidende Rolle beim Wachstum der Staubkörner: Sie verhindern, dass die Staubkörner bei Kollisionen auseinanderbrechen und ermöglichen ihnen so, zu den Grundbausteinen von Planeten und Kometen zu werden. Der Schnee vergrößert zusätzlich den Anteil fester Materie in der Scheibe und könnte dadurch den Prozess der Planetenentstehung beschleunigen.

ALMA hat jetzt einen ersten Blick auf die Kohlenmonoxid-Schneegrenze um den jungen Stern TW Hydrae geworfen, der 175 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Astronomen gehen davon aus, dass dieses angehende Planetensystem ähnliche Eigenschaften aufweist wie unser eigenes Sonnensystem in einem Alter von nur wenigen Millionen Jahre.
„Dank ALMA haben wir jetzt das erste echte Bild der Schneegrenze um einen jungen Stern. Das verrät uns einiges über die erste Phase der Geschichte unseres eigenen Sonnensystems”, sagt Chunhua “Charlie” Qi vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (USA).

Tatsächlich könnte das Vorhandensein der Kohlenmonoxid-Schneegrenze noch weitere Konsequenzen als nur die Entstehung von Planeten haben. Kohlenmonoxid-Eis wird für die Entstehung von Methanol benötigt, einem der Grundbausteine komplexerer organischer Moleküle. Kometen könnten derartige Moleküle zu den im Entstehen begriffenen erdähnlichen Planeten weiter innen befördert haben. Auf diese Weise wären Zutaten, die für die Entstehung des Lebens notwendig sind, auf diese Planeten gelangt. Bis zu den neuen Beobachtungen war es nicht gelungen, die Schneegrenzen direkt abzubilden, da sie immer in einem relativ dünnen Bereich im Inneren der protoplanetaren Scheibe um den Stern entstehen. Ihre exakte Position und Ausdehnung ließ sich daher nicht bestimmen. Ober- und unterhalb der dünnen Schicht, in der die Schneegrenzen existieren, verhindert die vom Stern ausgehende Strahlung die Bildung von Eis. Durch die starke Konzentration von Gas und Staub in der zentralen Ebene wird dieser Bereich von der Strahlung abgeschirmt, so dass Kohlenstoffmonoxid und andere Gase abkühlen und ausfrieren können.

Das Astronomenteam konnte mit einem ausgeklügelten Trick aber dennoch in das Innere der Scheibe schauen: Anstatt nach dem Schnee selbst Ausschau zu halten, der nicht direkt beobachtet werden kann, suchten sie nach einem Molekül namens Diazenyl (N₂H⁺), das im Millimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums strahlt und daher mit ALMA hervorragend beobachtet werden kann. Dieses Molekül reagiert sehr leicht mit Kohlenstoffmonoxidgas und wird dabei zerstört. In nachweisbaren Mengen ist es also nur dort zu finden wo das Kohlenstoffmonoxid zu Schnee ausgefroren ist und das Diazenyl daher nicht länger zerstören kann. Dabei sind die Astronomen auf eine scharfe Grenze bei einem Abstand von etwa dreißig Astronomischen Einheiten vom Stern gestoßen. Die Messungen entsprechen einer Art Negativbild der Verteilung von Kohlenmonoxid-Schnee in der Scheibe um TW Hydrae. Die Kohlenstoffmonoxid-Schneegrenze befindet sich demnach genau dort, wo sie auch der Theorie nach liegen sollte – am Innenrand des Diazenyl-Rings.

ESO / CT