Trümmerscheiben in höchster Auflösung

Viele Planetensysteme bestehen nicht nur aus einem Zentralstern und den darum kreisenden Planeten, sondern auch aus sogenannten Trümmerscheiben. In diesen Zonen befinden sich Kleinkörper wie Asteroiden – und auch jede Menge Staub, der entsteht, wenn Gesteinsbrocken miteinander kollidieren. Das Sonnensystem umschließt beispielsweise jenseits der Umlaufbahn des Neptuns der sogenannte Kuipergürtel, in dem sich größere Trümmer langsam zu Staub zermahlen. Einem internationalen Team aus rund sechzig Forschende – darunter Mitarbeitende der Friedrich-Schiller-Universität Jena – ist es nun gelungen, 24 dieser Trümmerscheiben in ihren Planetensystemen hochauflösend abzubilden. Für die Aufnahmen nutzte das Projekt „ALMA survey to Resolve exoKuiper belt Substructures (ARKS)“ das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in der chilenischen Atacamawüste.

Über­sicht der hoch­auf­lö­sen­den Ab­bil­dungen der 24 Trüm­mer­schei­ben. Die un­te­re blaue Rei­he zeigt die Gas­ver­tei­lung in den da­rü­ber ab­ge­bil­de­ten Trüm­mer­schei­ben.

Quelle: Sebastian Marino, Sorcha Mac Manamon / ARKS Collaboration

Die meisten abgelichteten Planetensysteme sind dabei jünger als 100 Millionen Jahre und befinden sich somit in einem frühen Stadium ihrer Entwicklung, in dem die Herausbildung von Riesenplaneten gerade abgeschlossen ist, während erdähnliche Planeten möglicherweise noch entstehen. Zum Vergleich: Das Sonnensystem ist etwa 4,5 Milliarden Jahre alt. „Dank dieser neuen Bilder erhalten wir so detailreiche Einblicke in und neue Perspektiven auf weit entfernte Planetensysteme wie nie zuvor“, sagt Torsten Löhne von der Universität Jena, der am Projekt beteiligt war. „Wir haben hier 24 verschiedene Aufnahmen in nie dagewesener Genauigkeit und Qualität, durch die wir viel mehr darüber erfahren, wie die Trümmerscheiben und ihre Planetensysteme aufgebaut sind“, ergänzt sein Jenaer Kollege Alexander Krivov. „Außerdem verraten sie uns viel über die Entstehungsprozesse des jeweiligen Systems und erlauben möglicherweise Rückschlüsse darauf, wie sich unser Sonnensystem entwickelt hat.“

Besonders fasziniert zeigen sich die Forschenden von der unerwarteten Vielfalt der Erscheinungsformen. Die Trümmerscheiben können nicht nur aus einzelnen Ringen bestehen, sondern auch Strukturen aus mehreren Ringen mit ganz unterschiedlichen Abständen zueinander bilden, breite Halos – also ausgedehnte Hüllen – oder größere Klumpen innerhalb der Ringe. „Das grobe Erscheinungsbild und die Tatsache, dass wir in etwa einem Fünftel aller Planetensysteme eine solche Scheibe erkennen können, beweist eine gewisse Ähnlichkeit der Systeme und ihrer Entstehungsprozesse“, sagt Alexander Krivov. „Doch die Vielfalt der Trümmerscheiben legt nahe, dass individuelle Planetensysteme sehr unterschiedliche Entwicklungswege durchlaufen. Was diese Vielfalt verursacht, das gilt es nun herauszufinden.“ Die Jenaer Expertinnen und Experten modellieren deshalb zum Beispiel die Kollisionsprozesse innerhalb eines Gürtels. So wollen sie herausfinden, was den auf den Bildern sichtbaren Staub mit den unsichtbaren Asteroiden verbindet und wie die Planeten wiederum das Erscheinungsbild einer Trümmerscheibe beeinflussen und etwa ein Zwei-Ring-System entstehen lassen.

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Vier Klassen von Planetensystemen

Für weitere Erkenntnisse vermaßen die Astronominnen und Astronomen die Scheiben sehr genau und erfassten etwa ihre radiale und vertikale Ausdehnung. Hierbei zeigt sich, wie stark sich Staub und Asteroiden in der Scheibe bewegen und mit welchen Geschwindigkeiten sie zusammenstoßen – je schneller sie sich bewegen, desto weiter dehnen sich die Scheiben aus und umso mehr Staub wird produziert. Was aber die unterschiedlichen Geschwindigkeiten beeinflusst, das gilt es in weiterer Forschung herauszufinden.

Außerdem liefern Daten aus den Trümmerscheiben wertvolle Informationen über die Planeten in ihrer Umgebung – auch wenn die meisten bisher unbekannt sind. „In nur einem Drittel der abgebildeten Systeme kennen wir schon mindestens einen Planeten. Generell vermuten wir aber, dass sich auf den Bildern in den leeren Räumen, die vom orangefarbenen Staub eingefasst sind, immer Planeten befinden“, erklärt Torsten Löhne. „Ihre Spuren können wir zum Beispiel in der Beschaffenheit der Scheibenkanten ablesen.“

„Aktuelle Beobachtungsmethoden begünstigen vor allem die Entdeckung von Planeten, die sich sehr nah am Stern befinden. Diese können aber selten die Unregelmäßigkeiten in den Trümmerscheiben erklären, da sie zu weit von ihnen entfernt sind“, erklärt Krivov. „Mithilfe der neu gewonnenen Informationen können wir also möglicherweise Methoden entwickeln, durch die wir Planeten finden, die sich eher am Rand eines Planetensystems befinden und die uns bisher verborgen geblieben sind.“

Weitere Erkenntnisse erhoffen sich die Jenaer Forschenden aus der genaueren Betrachtung der einzelnen Systeme. So wiesen sie in einigen von ihnen Gas nach, überwiegend Kohlenstoffmonoxid, das auf den Bildern blau erscheint und viel über seine Umgebung aussagen könnte. „Wir vermuten, dass das Gas während der Kollisionen der Gesteinskörper freigesetzt wird. Wenn wir noch mehr darüber herausfinden, wie dieses Gas zusammengesetzt ist, dann können wir daraus eventuell ableiten, aus welchen Materialien die benachbarten Planeten und Asteroiden bestehen“, sagt Krivov. [FSU / dre]