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ALMA entdeckt eine Kometenfabrik

07.06.2013
Ein Astronomenteam mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik und des Zentrums für Astronomie der Universität Heidelberg hat mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) eine Region um einen jungen Stern aufgenommen, in der Staubpartikel langsam wachsen können.

Damit konnte eine solche Staubfalle erstmals eindeutig beobachtet und modelliert werden. Das lange Jahre ungeklärte Rätsel wie Staubteilchen in den Scheiben um junge Sterne zu größeren Objekten werden, aus denen sich schließlich Kometen, Planeten und andere Körper aus Gestein bilden, konnte damit nun gelöst werden. Die Ergebnisse erscheinen am 7. Juni 2013 in der Fachzeitschrift Science.


Künstlerische Darstellung der von ALMA beobachteten Kometenfabrik.
Illustration: ESO/L. Calçada

Zwar wissen Astronomen mittlerweile, dass es Unmengen von Planeten um andere Sterne gibt, man versteht aber noch nicht vollständig, wie sie eigentlich entstehen. Auch viele Aspekte bei der Bildung von Kometen und anderen gesteinsartigen Objekten waren bislang ein Rätsel. Neue Beobachtungen, die die Leistungsfähigkeit von ALMA ausnutzen, können nun eine der wichtigsten dahingehenden Fragen beantworten: Wie schaffen es winzige Staubkörnchen in den Scheiben um junge Sterne immer größer zu werden – und schließlich zu Steinen oder sogar Felsbrocken von über einem Meter Durchmesser anzuwachsen?

Computermodelle lassen vermuten, dass Staubkörner wachsen, wenn sie zusammenstoßen und aneinander kleben bleiben. Wenn jedoch größere Staubkörner bei hohen Geschwindigkeiten miteinander kollidieren, werden sie oft wieder in kleine Stückchen zerschlagen und fangen somit wieder bei Null an. Aber selbst wenn das nicht passiert, zeigen Modelle, dass sich die größeren Staubkörner aufgrund der Reibung zwischen Staub und Gas in der Scheibe, in der sie sich befinden, schnell zu deren Zentrum bewegen und schließlich auf ihren Mutterstern fallen würden, so dass sie ebenfalls keine Chance hätten größer zu werden.

Der Staub braucht also eine Art sicheren Hafen, in dem Staubteilchen weiter wachsen können, bis sie groß genug sind, um weiter bestehen zu können [1]. Solche „Staubfallen” wurden zwar schon zuvor als Lösung vorgeschlagen, aber bislang gab es keine Beobachtungen, die ihre Existenz belegt haben.

Nienke van des Marel, eine Doktorandin an der Sternwarte in Leiden in den Niederlanden und Erstautorin des Fachartikels, in dem die neuen Ergebnisse präsentiert werden, hat zusammen mit anderen Astronomen mit ALMA die Scheibe in einem Sternsystem namens Oph-IRS 48 [2] untersucht. Das Team fand heraus, dass der Stern von einem Ring aus Gas mit einem Loch umgeben war, das vermutlich von einem unsichtbaren Planeten oder einem Begleitstern verursacht worden war. Frühere Beobachtungen mit dem Very Large Telescope der ESO hatten bereits gezeigt, dass kleine Staubteilchen dort eine ähnliche Ringstruktur bilden. Doch die neuen ALMA-Aufnahmen von dem Ort, an dem die millimetergroßen Staubteilchen gefunden wurden, sah vollkommen anders aus.

„Wir waren wir von der Verteilung des Staubs auf dem Bild vollkommen überrascht”, erzählt van der Marel. „Anstatt des Rings, den wir erwartet hatten, sieht man die Form einer Cashewnuss! Wir mussten uns erstmal selbst davon überzeugen, dass diese Struktur auch wirklich echt ist. Das starke Signal und die Schärfe der ALMA-Aufnahmen lassen daran aber keinen Zweifel. Erst danach haben wir begriffen, was wir da entdeckt hatten.”

Bei dem Fund handelt es sich um eine Region, in der größere Staubkörner gefangen werden und durch Kollisionen und Aneinanderhaftenbleiben weiter wachsen können. Es handelt sich um eine Staubfalle – genau das, wonach die Theoretiker gesucht hatten.

„Es ist sehr wahrscheinlich, dass wir auf eine Art Kometenfabrik schauen, da die Bedingungen dort im Moment gerade so sind, dass Staubteilchen von Millimeter- zu Kometengröße heranwachsen können. Es ist unwahrscheinlich, dass sich aus dem Staub bei dieser Entfernung vom Stern ausgewachsene Planeten bilden. Aber ALMA wird in naher Zukunft auch in der Lage sein, Staubfallen näher am Mutterstern zu beobachten, wo derselbe Mechanismus am Werk ist. Solche Staubfallen wären dann wirklich die Geburtsstätten von neuen Planeten”, erklärt van der Marel.

Eine Staubfalle entsteht, wenn größere Staubteilchen in Gebiete höheren Drucks wandern. Computermodelle haben gezeigt, dass solch ein Hochdruckgebiet durch die Bewegung des Gases am Rand einer Lücke entstehen kann – ähnlich wie jenes, das in der Scheibe beobachtet wird.

„Die Kombination aus Modellierung und hochqualitativen ALMA-Beobachtungen macht dieses Projekt einzigartig”, erläutert Cornelis Dullemond vom Institut für Theoretische Astrophysik am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Mitglied des Teams und ein Experte auf dem Gebiet der Staubentwicklung und der Scheibenmodellierung. „Etwa zur gleichen Zeit als diese Beobachtungen gemacht wurden, haben wir an Modellen gearbeitet, die genau diese Art von Strukturen vorhergesagt hat: ein sehr glücklicher Zufall also.”

Die Beobachtungen wurden durchgeführt, als ALMA sich noch im Aufbau befand. Das Team hat dazu den Band 9-Empfänger von ALMA genutzt [3] – in Europa hergestellte Geräte, die es ALMA ermöglichen seine bisher schärfsten Bilder zu erstellen.

„Diese Beobachtungen demonstrieren, dass ALMA selbst mit weniger als der Hälfte des vollen Ausbaus in der Lage ist, herausragende wissenschaftliche Arbeit zu leisten”, ergänzt Ewine van Dishoeck von der Sternwarte Leiden, die bereits 20 Jahre lang maßgebliche Beiträge zum ALMA-Projekt leistet. „Der unglaubliche Sprung in Band 9, sowohl in der Empfindlichkeit als auch bei der Schärfe der Bilder, gibt uns die Möglichkeit die grundlegenden Aspekte der Planetenentstehung auf eine Art und Weise zu untersuchen, die uns bislang verschlossen gewesen ist”

Endnoten

[1] Die Ursache für die Staubfalle, in diesem Fall ein Wirbel im Gas der Scheibe, hat eine typische Lebensdauer von mehreren Hunderttausend Jahren. Aber auch dann wenn die Staubfalle nicht mehr funktioniert, würde es merhere Millionen Jahre dauern, bis der angesammelte Staub sich wieder verteilen würde, was den Staubkörnern ausreichend Zeit verschafft, um zu wachsen.

[2] Der Name setzt sich aus dem Namen des Sternbilds, in dem das System in einer Sternentstehungsregiongefunden wurde, und der Art der Quelle zusammen. Dabei steht Oph für das Sternbild Ophiuchus (der Schlangenträger) und IRS für Infrarotquelle. Der Abstand von Oph-IRS 48 zur Erde beträgt etwa 400 Lichtjahre.

[3] ALMA kann Beobachtungen in verschiedenen Frequenzbändern durchführen. Band 9, das einem Wellenlängenbereich von etwa 0,4-0,5 Millimetern entspricht, ist der Modus, der bislang die schärfsten Aufnahmen liefert.
Weitere Informationen

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die hier vorgestellten Ergebnisse von van der Marel et al.erscheinen am 7. Juni 2013 unter dem Titel „A major asymmetric dust trap in a transition disk” in der Fachzeitschrift Science.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Nienke van der Marel (Sterrewacht Leiden, Niederlande), Ewine F. van Dishoeck (Sterrewacht Leiden; Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching,[MPE]), Simon Bruderer (MPE), Til Birnstiel (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA [CfA]), Paola Pinilla (Zentrum für Astornomie der Universität Heidelberg, ZAH), Cornelis P. Dullemond (ZAH), Tim A. van Kempen (Sterrewacht Leiden; Joint ALMA Offices, Santiago, Chile), Markus Schmalzl (Sterrewacht Leiden), Joanna M. Brown (CfA), Gregory J. Herczeg (Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University, China), Geoffrey S. Mathews (Sterrewacht Leiden) und Vincent Geers (Dublin Institute for Advanced Studies, Irland).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner bei den neuartigen Verbundteleskop ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Kontaktinformationen

Carolin Liefke
ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 528 226
E-Mail: eson-germany@eso.org

Cornelis P. Dullemond
Instituts für Theoretische Astrophysik, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 54 4815
E-Mail: dullemond@uni-heidelberg.de

Nienke van der Marel
Leiden Observatory
Leiden, The Netherlands
Tel: +31 71 527 8472
Handy: +31 62 268 4136
E-Mail: nmarel@strw.leidenuniv.nl

Ewine van Dishoeck
Leiden Observatory
Leiden, The Netherlands
Tel: +31 71 527 5814
E-Mail: ewine@strw.leidenuniv.nl

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Tel: +49 89 3200 6655
Handy: +49 151 1537 3591
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