Spiralarme nicht nur in Galaxien

Eine inter­nationale Gruppe von Astronomen hat das erste Bild einer Spiral­struktur in einer proto­planetaren Scheibe aufgenommen, das Wärme­strahlung des in der Scheibe enthaltenen Staubs zeigt. Solche Scheiben sind die Geburts­stätten neuer Planeten­Systeme und Strukturen darin dürften eine wichtige Rolle für die Entstehung von Planeten um junge Sterne spielen. Die Forscher vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie MPIfR nutzten das inter­nationale Obse­rvatorium ALMA, um die Scheibe rund um den jungen Stern Elias 2-27 im Sternbild Ophiuchus zu beobachten.

Planeten entstehen im Inneren von Scheiben aus Gas und Staub rund um neu­geborene Sterne. Diese Grundidee hat eine lange Geschichte, aber die Astronomen sind erst seit kurzem in der Lage, derartige Scheiben direkt zu beobachten. Ein frühes Beispiel ist die Entdeckung der Sil­houetten solcher Scheiben in den 1990er Jahren mit dem Weltraum­teleskop Hubble. Bilder von Unter­strukturen solcher Scheiben sind den Astronomen erst sehr viel später gelungen. Lücken in proto­planetaren Scheiben konnten erst im Jahre 2014 mit ALMA nachgewiesen werden.

Die neuen Beobach­tungen sind von besonderem Interesse für alle, die sich mit der Entstehung von Planeten beschäftigen. Ohne solche Unter­strukturen könnten Planeten möglicher­weise gar nicht erst entstehen. Der Grund dafür ist wie folgt: Ist die Materie in einer Scheibe weitgehend gleich­mäßig verteilt, können Planeten nur Schritt für Schritt entstehen. Staub­teilchen in der Scheibe kollidieren und haften aneinander, und im Laufe der Zeit entstehen so immer größere Objekte.

Proble­matisch wird es, sobald die Objekte größer als einige Meter werden. Dann erfahren sie auf ihrer Bahn um den Stern so viel Reibung durch das umgebende Gas, dass diese Objekte auf Zeitskalen von tausend Jahren oder weniger nach innen wandern und in den Zentral­stern fallen. Das ist viel kürzer als die Zeit, die solche Objekte benötigen würden, um durch aufeinander­folgende Stöße bis zur Größe von Planeten anzuwachsen und bei solcher Größe dann gegen die Gasreibung vergleichs­weise unempfindlich zu sein. Wie also können sich überhaupt größere Objekte bilden? Ohne eine gute Antwort auf diese Frage können wir die Entstehung unseres Sonnen­system und anderer Planeten­systeme nicht verstehen.

Es gibt verschiedene Lösungs­ansätze für Mechanismen, die urtümlichen Fels­brocken helfen können, zu wachsen und schließlich die Größe zu erreichen, wo sie sich mithilfe der Schwerkraft zu aus­gewachsenen Planeten zusammenfügen. „Die Spiral­struktur, die wir in Elias 2-27 beobachtet haben, ist der erste direkte Hinweis auf spiral­förmige Dichte­wellen in einer proto­planetaren Scheibe“, sagt Laura Pérez vom MPIfR. „Sie zeigt, dass sich innerhalb der Scheibe Insta­bilitäten bilden können, die zu Teil­gebieten deutlich größerer Dichte führen und damit zur Bildung weiterer Planeten.“ Solche Instabilitäten treten nicht nur auf den Größen­skalen der Planeten­entstehung auf: Das wohl bekannteste Beispiel sind Dichtewellen in Spiral­galaxien, die für die markanten Spiralarme solcher Galaxien ver­antwortlich sind.

In Regionen erhöhter Dichte, wie sie entlang der jetzt beo­bachteten Dichte­wellen auftreten, könnte die Planeten­entstehung dagegen ungleich rascher fort­schreiten, sowohl aufgrund der erhöhten Schwereanziehung in dem betreffenden Gebiet als auch aufgrund der höheren Wahr­scheinlichkeit von Zusammen­stößen. Das könnte die Antwort auf die Frage sein, wie in einer Scheibe Objekte mit Durchmessern größer als einige Meter entstehen können. Planeten, die bereits in der Scheibe entstanden sind, können aber auch ihrerseits spiralförmige Dichtewellen auslösen, während sie um den Zentral­stern umlaufen. Diese zwei Rollen auseinanderzuhalten, verlangt nach einem tieferen Verständnis, zu dem Beobach­tungen wie das jetzt veröffentlichte ALMA-Bild beitragen können. Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie MPIA, sagt: „Nachdem wir über Jahre nur die inte­grierte Wärme­strahlung von Scheiben um junge Sterne messen konnten, sehen wir sie jetzt in ihrer ganzen Schönheit und Vielfalt, inzwischen auch mit einer Spiral­struktur. Dies hilft uns, die Entstehung von Planeten besser zu verstehen.“

„In den letzten Jahr­zehnten haben Astronomen eine beachtliche Vielfalt an Exo­planeten gefunden. Erklären können wir diese Vielfalt nur, wenn wir die frühen Phasen der Planeten­entstehung verstehen - und dazu leisten die beein­druckend detail­lierten ALMA-Bilder einen wichtigen Beitrag“, ergänzt Hendrik Linz, ebenfalls vom MPIA. Ein konkretes Beispiel: Die beiden weit ausladenden Spiralarme um Elias 2-27 erstrecken sich bis in eine Entfernung von mehr als zehn Milliarden Kilo­metern von dem jungen Stern, weiter in den Weltraum hinaus als der Kuiper­gürtel in unserem eigenen Sonnen­systems. „Das Vorhanden­sein von spiral­artigen Dichte­wellen bei derart extremen Entfernungen vom Stern könnte die Existenz von Exoplaneten erklären, die ihre Zentralsterne in ähnlich großer Entfernung umkreisen“, erklärt Pérez. „In den herkömmlichen Modellen der Planeten­entstehung sollten derartige Planeten gar nicht vor Ort entstehen können.“

Der junge Stern Elias 2-27, den ALMA für diese Aufnahmen angepeilt hat, ist Teil einer weit größeren Stern­entstehungs­region mit der Bezeich­nung Rho Ophiuchi im Sternbild Schlangen­träger. Elias 2-27 hat sich erst vor rund einer Million Jahren gebildet. Von diesem Stern war bereits bekannt, dass er von einer Scheibe umgeben ist. Die neuen ALMA-Beo­bachtungen zeigen Strahlung mit einer Wellen­länge von 1,3 Millimetern. Diese Strahlung geht auf das Vorhanden­sein von Staub­partikeln zurück, die zwischen einem und zehn Prozent der Gesamt­masse der Scheibe beitragen. Mithilfe dieser Strahlung konnten die Astro­nomen das erwähnte Spiral­muster von einem Abstand von rund hundert Astro­nomischen Ein­heiten zum Zentralstern bis hinaus zu einer Entfernung von 300 Astro­nomischen Einheiten verfolgen.

Eine Erklärung für die Entstehung dieser Spiral­struktur ist, dass sich in der Scheibe bereits ein Planet gebildet hat. ALMA hat auch ein schmales Band in der Scheibe mit deutlich weniger Staub entdeckt, das freilich nicht groß genug ist, einen Planeten zu beherbergen, der wiederum groß genug wäre, das beobachtete Spiral­muster zu erzeugen. Anderer­seits kann auch die Gravi­tation der Scheibe selbst Insta­bilitäten hervorrufen, die ein solches Spiral­muster erzeugen können. Eingedenk der Gesamtmasse der Scheibe und der Form und Symmetrie des Spiral­musters wird auch diese Möglichkeit von den Autoren für durchaus wahr­scheinlich gehalten.

„ALMA-Beobach­tungen dieser Art werden zunehmend häufiger und sollten uns mehr und mehr Bilder von inhomo­genen Sub­strukturen in proto­planetaren Scheiben liefern“, sagt Karl Menten vom MPIfR. „Damit sollten wir Astronomen zunehmend in der Lage sein, die Eigenschaften solcher Strukturen genauer zu beschreiben und ihre Rolle für die Planeten­entstehung aufzuklären.“

MPIfR / JOL