Kometen entstehen in kosmischen Staubfallen

Ein altes Rätsel der Entstehung von Kometen haben Astrophysiker der Universität Heidelberg mithilfe von Beobachtungen am Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile gelöst. Mit Daten dieses neuen Teleskops der Europäischen Südsternwarte, eines der leistungsfähigsten Teleskope der Welt, konnte die Existenz sogenannter Staubfallen als mögliche Geburtsstätte von Kometen bewiesen werden. Zugleich wurden damit Theorien von Heidelberger Wissenschaftlern bestätigt.

„Diese Erkenntnisse aus den aktuellen Untersuchungen sind ein Meilenstein in unserem Verständnis der Entstehung von Kometen und letztlich auch Planeten“, erklärt Prof. Dr. Cornelis Dullemond vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Bei der Frage nach der Entstehung von Kometen und Planeten gehen Astronomen davon aus, dass sich winzige Partikel in der Umlaufbahn um einen jungen Stern – der sogenannte kosmische Staub – innerhalb von Millionen von Jahren allmählich immer mehr verklumpen. Dadurch entstehen immer größere Objekte wie Kometen und am Ende auch Planeten. Allerdings pulverisieren sich diese Bausteine untereinander immer wieder durch heftige Zusammenstöße oder driften allmählich in den zentralen Stern und werden dort zerstört.

Zur Frage, wie dennoch Kometen oder Planeten entstehen können, haben Prof. Dullemond und sein Team einen theoretischen Ansatz mit Hilfe aufwendiger Computersimulationen überprüft. Demnach sind junge Sterne anfänglich von riesigen Staubscheiben umgeben. Ihr Durchmesser kann dabei ein Vielfaches des Durchmessers unseres Sonnensystems betragen. „Diese Scheiben sind jedoch nicht glatt wie ein Frisbee, sondern ähneln eher den Saturnringen mit ihren Lücken und Verdichtungen“, sagt Paola Pinilla, die Doktorandin in Prof. Dullemonds Arbeitsgruppe ist.

Mit Hilfe ihrer Simulationen am Computer hat die aus Kolumbien stammende Wissenschaftlerin diese Zonen genauer betrachtet und herausgefunden, dass sich am Rand solcher Ringe unter bestimmten Bedingungen Wirbel ausbilden können. Ihre Untersuchungen zeigen, dass in diesen Wirbeln, die Millionen Jahre lang stabil bestehen können, alle milimeter-großen Staubteilchen eingefangen werden. Da sich dort eine wesentlich höhere Dichte von solchen Teilchen bildet, werden diese Bereiche auch als Staubfallen bezeichnet. Zudem sind die Zentren dieser Wirbel sehr ruhige Zonen, so dass sich größere und beständigere Bausteine bilden können.

Mit diesem Forschungsansatz wird eine Theorie fortgeführt, nach der Wirbel als Staubfallen fungieren. Diese Theorie wurde schon in den 1990er Jahren von den Astrophysikern Dr. Hubert Klahr und Prof. Dr. Thomas Henning entwickelt, die heute am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg arbeiten. „Aber es gab bis jetzt keine Beobachtungen, die ihre Existenz bewiesen haben“, sagt Prof. Dullemond. Diesen Beweis und den Nachweis für die Heidelberger Theorie, dass Staubfallen die Geburtsstätte von Kometen und Planeten sein können, lieferten jetzt Astronomen, die mit dem erst vor wenigen Wochen in Betrieb gegangenen Teleskop Atacama Large Millimeter Array gearbeitet haben.

Das Teleskop wurde mit speziellen Empfängern auf einer chilenischen Hochebene in rund 5.000 Metern Höhe errichtet und kann mit bisher unerreichter Präzision die Geburtsstätten junger Sterne und Planetensysteme untersuchen. Eine internationale Gruppe von Astronomen hat mit ALMA die Staubscheibe in einem Sternsystem mit der Bezeichnung Oph-IRS 48 erkundet. Das Team beobachtete, dass der Stern von einem Ring aus Gas umgeben ist. Dieser Gasring leuchtet aber nur auf einer Seite besonders stark in dem Licht, das üblicherweise millimetergroße Staubteilchen abstrahlt. Die Wissenschaftler konnten diese Beobachtung zunächst nicht interpretieren und wandten sich daher mit den Daten an die Heidelberger Forscher.

„Unsere Datenauswertung brachte den ersten Nachweis einer Staubfalle um einen jungen Stern, einer vermuteten und lange gesuchten Geburtsstätte von Kometen“, sagt Prof. Dullemond. Für ihre Modellrechnungen nutzten die Heidelberger Wissenschaftler ein Computerprogramm, das Dr. Til Birnstiel entwickelt hat. Dr. Birnstiel ist ein ehemaliger Doktorand von Prof. Dullemond und arbeitet jetzt am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in den USA.

Der aktuellen Entdeckung liegen Daten zugrunde, die noch in der Testphase von ALMA mit nur einem Teil seiner vollen Leistungsfähigkeit gewonnen wurden. Daher rechnen die Astronomen damit, dass künftig noch spektakulärere Einblicke in die kosmische Planetenküche und damit auch in die Entstehung von Leben wie auf der Erde zu erwarten sind.

Originalveröffentlichung:
N. van der Marel, E. F. van Dishoeck, S. Bruderer, T. Birnstiel, P. Pinilla, C. P. Dullemond, T. A. van Kempen, M. Schmalzl, J. M. Brown, G. J. Herczeg, G. S. Mathews, V. Geers: A major asymmetric dust trap in a transition disk. Science (7 June 2013), Vol. 340 no. 6137, 1199-1202, DOI: 10.1126/science.1236770

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