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Rätselhafter Gasklumpen in der Trümmerscheibe um Beta Pictoris

07.03.2014

Basierend auf Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) haben Astronomen heute die Entdeckung eines unerwarteten Klumpens aus Kohlenstoffmonoxid-Gas in der Staubscheibe des Sterns Beta Pictoris bekanntgegeben.

Das ist überraschend, denn man würde davon ausgehen, dass dieses Gas in kurzer Zeit von der Strahlung des Sterns zerstört werden sollte. Irgendetwas – wahrscheinlich häufige Zusammenstöße zwischen kleinen eishaltigen Objekten wie Kometen – muss für die kontinuierliche Wiederauffüllung des Gases verantwortlich sein. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.


Model zur Erklärung der ALMA-Beobachtungen von Beta Pictoris, die gezeigt haben, dass die Scheibe von Kohlenstoffmonoxid-Gas durchsetzt ist. Illustration: NASA's Goddard Space Flight Center/F. Reddy

Das System des nahegelegenen Sterns Beta Pictoris, der leicht mit dem bloßen Auge am Südhimmel zu sehen ist, wird als archetypisches junges Planetensystem gepriesen. Man weiß, dass es einen Planeten beherbergt, der sich auf einer Umlaufbahn in 1,2 Milliarden Kilometern Entfernung vom Stern bewegt. Beta Pictoris war einer der ersten Sterne mit einer großen Scheibe aus Staubtrümmern, den man fand [1]. 

Neue Beobachtungen mit ALMA haben nun gezeigt, dass die Scheibe von Kohlenstoffmonoxid-Gas durchsetzt ist. Paradoxerweise könnte die Anwesenheit von Kohlenstoffmonoxid, das für uns Menschen auf der Erde äußerst schädlich ist, ein Hinweis dafür sein, dass das Planetensystem Beta Pictoris irgendwann ein gutes Habitat für Leben sein könnte. Der Kometenbeschuss, den seine Planeten gerade durchleben, versorgt sie vermutlich mit dem Wasser, das Leben erst möglich macht [2].

Kohlenstoffmonoxid wird allerdings leicht und schnell von der Strahlung des Sterns gespalten – an der Stelle, an der es in der Scheibe von Beta Pictoris beobachtet wird, kann es nur etwa 100 Jahre lang existieren. Es in der 12 Millionen Jahre alten Scheibe von Beta Pictoris zu finden, war daher für die Wissenschaftler völlig überraschend. Es stellt sich daher die Frage, wo es herkommt und warum es immer noch dort ist.

„Sofern wir Beta Pictoris nicht gerade in einer besonders ungewöhnlichen Phase beobachten, muss das Kohlenstoffmonoxid kontinuierlich aufgefüllt werden“, erläutert William R.F. Dent, ESO-Astronom am Joint ALMA Office in Santiago de Chile und Erstautor des heute veröffentlichten Artikels in der Fachzeitschrift Science. „Die häufigsten Quellen für Kohlenstoffmonoxid in einem jungen Sonnensystem sind Zusammenstöße zwischen eishaltigen Objekten, die von Kometen bis hin zu größeren, planetenartigen Objekten reichen.“

Die Zerstörungsrate muss jedoch sehr hoch sein: „Um die beobachtete Menge an Kohlenstoffmonoxid zu erhalten, müsste die Kollisionsrate in der Tat erstaunlich hoch sein – eine große Kometenkollision alle fünf Minuten“, merkt Aki Roberge an, NASA-Astronom am Goddard Research Center in Greenbelt in den USA und Koautor des Fachartikels. „Um diese Kollisionsrate zu aufrechtzuerhalten, müsste es ein sehr dichter, massereicher Kometenschwarm sein.“

Aber es gab noch eine weitere Überraschung in den ALMA-Daten, mit denen das Kohlenstoffmonoxid nicht nur überhaupt erst sichtbar gemacht werden konnte sondern gleichzeitig auch dessen Verteilung in der Scheibe kartiert werden konnte. Ermöglicht wurde dies durch ALMAs einzigartige Fähigkeit, gleichzeitig sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit des Gases zu messen.

Es ergab sich, dass das Gas in einem einzigen kompakten Klumpen konzentriert ist. Diese Konzentration befindet sich 13 Milliarden Kilometer vom Stern entfernt, was etwa der dreifachen Entfernung zwischen dem Planeten Neptun und der Sonne entspricht. Warum sich das Gas in diesem kleinen Klumpen so weit entfernt vom Stern befindet, bleibt allerdings ein Rätsel.

„Dieser Klumpen ist ein wichtiger Hinweis auf die Vorgänge in den Außenbereichen dieses jungen Planetensystems“, ergänzt Mark Wyatt von der University of Cambridge in Großbritannien und Koautor des Fachartikels. Es gäbe zwei Wege, auf denen sich so ein Klumpen bilden kann: „Entweder werden die Kometenkollisionen durch die gravitative Anziehung eines noch nicht sichtbaren Planeten mit einer saturnähnlichen Masse auf eine kleine Region konzentriert oder das was wir sehen ist der Überrest einer einzigen katastrophalen Kollision zweier marsähnlicher Eisplaneten.“

Beide Möglichkeiten geben Astronomen Anlass zur Hoffnung, dass noch weitere Planeten um Beta Pictoris auf ihre Entdeckung warten. „Kohlenstoffmonoxid ist nur der Anfang – es könnten noch weitere komplexe pre-organische Moleküle aus diesen Eisobjekten freigesetzt worden sein“, fügt Roberge hinzu. 

Weitere Beobachtungen mit ALMA, dessen Kapazitäten immer noch nicht voll entfaltet sind, sind geplant, um mehr Licht in dieses fesselnde Planetensystem zu bringen und somit dabei zu helfen, die Bedingungen zu verstehen, die während der Entstehung des Sonnensystems geherrscht haben.

Endnoten

[1] Viele Sterne sind von wirbelnden Staubwolken, die Trümmerscheiben genannt werden, umgeben. Sie sind die Überreste von Kollisionskaskaden von Gesteinsbrocken in der Umlaufbahn um den Stern, ähnlich wie bei der Zerstörung der Raumstation im Kinofilm Gravity dargestellt, allerdings auf viel größeren Skalen. Von früheren Beobachtungen von Beta Pictoris wurde in eso1024 und eso0842 berichtet.

[2] Kometen enthalten eisförmiges Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Ammoniumhydroxid und Methan. Der häufigste Bestandteil ist jedoch eine Mischung aus Staub und Wassereis.

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 erscheinen am 6. März 2014 unter dem Titel „Molecular Gas Clumps from the Destruction of Icy Bodies in the β Pictoris Debris Disk" in der Fachzeitschrift Science.

Die beteiligten Wissenschaftler sind W.R.F. Dent (Joint ALMA Office, Santiago, Chile [JAO]), M.C. Wyatt (Institute of Astronomy, Cambridge, Großbritannien [IoA]), A. Roberge (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbank, USA), J.-C. Augereau (Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, Frankreich [IPAG]), S. Casassus (Universidad de Chile, Santiago, Chile), S. Corder (JAO), J.S. Greaves (University of St. Andrews, Großbritannien), I. de Gregorio-Monsalvo (JAO), A. Hales (JAO), A.P.Jackson (IoA), A. Meredith Hughes (Wesleyan University, Middletown, USA), A.-M. Lagrange (IPAG), B. Matthews (National Research Council of Canada, Victoria, Kanada) und D. Wilner (Smithsonian Astrophysical Observatory, Cambridge, USA).

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 neuartigenTeleskopverbund 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

Bill Dent
Joint ALMA Office
Santiago, Chile
E-Mail: wdent@alma.cl

Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Handy: +49 151 1537 3591
E-Mail: rhook@eso.org

Weitere Informationen:

http://www.eso.org/public/germany/news/eso1408/ - Webversion der Pressemitteilung mit weiteren Bildern und Videos (auch in höher aufgelösten Versionen).
http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1248726 - Fachartikel in Science
http://www.eso.org/public/images/archive/category/alma/ - Fotos von ALMA
http://www.eso.org/public/germany/teles-instr/alma/ - Weitere Informationen zu ALMA

Dr. Carolin Liefke | ESO Science Outreach Network

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