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STAUBSCHEIBEN
Verräterische Muster auch ohne Planeten
von Stefan Deiters
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29. Juli 2013

Um zahlreiche junge Sterne haben Astronomen Scheiben aus Gas und Staub entdeckt. In manchen dieser Scheiben sind eigentümliche Strukturen zu erkennen, die bislang als Indiz für umlaufende oder gerade entstehende Planeten galten. Neue Simulationen zeigten jetzt allerdings, dass sich bestimmte Muster in solchen Scheiben auch ganz ohne Planeten bilden können.

Staubscheibe
 
Ausschnitt aus der Simulation einer Staubscheibe um einen jungen Stern. Dargestellt ist die Staubdichte. Oben ein Blick von oben auf die Scheibe, unten aus einem Winkel von 24 Grad. Bild: NASA Goddard / JPL-Caltech

Staubscheibe

Planeten um junge Sonnen bilden sich in einer Scheibe aus Gas und Staub, die um den gerade entstandenen Stern kreist. Zahlreiche solcher Scheiben wurden inzwischen um junge Sterne aufgespürt. In manchen fand man sogar eigentümliche Strukturen wie Ringe oder Spiralmuster. Sie galten vielen Astronomen als Indiz für das Vorhandensein eines Planeten in dem System, der durch seinen Umlauf diese Strukturen entstehen lässt.

Doch wie sicher kann man von Strukturen in Staub- und Trümmerscheiben um junge Sterne tatsächlich auf vorhandene Planeten schließen? Eine neue Studie mahnt nun zur Vorsicht: Unter den richtigen Umständen entstehen diese "verräterischen Muster" nämlich auch ganz ohne umlaufende Planeten. Ein entsprechender Fachartikel erschien in diesem Monat in der Wissenschaftszeitschrift Nature.

"Wenn die Masse des Gases in der Scheibe ungefähr der Masse des Staubs entspricht, kommt es zu Wechselwirkungen, die schließlich zur Verklumpung von Staub und zur Entstehung bestimmter Muster führen", fasst Wladimir Lyra vom Jet Propulsion Laboratory die Ergebnisse der Untersuchung zusammen. "Im Prinzip leitet das Gas den Staub in genau die Strukturen, die wir auch erwarten würden, wenn ein Planet in dem System vorhanden wäre."

Während sich warmer Staub um junge Sterne mithilfe von Infrarotbeobachtungen relativ leicht entdecken lässt, ist eine Abschätzung des Gasanteils in einer Scheibe deutlich schwieriger. Bislang haben sich theoretische Modelle daher überwiegend auf die Rolle von Staub und Eispartikeln in den Scheiben konzentriert und dem Gas relativ wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Allerdings können Eispartikel verdampfen und auch durch Kollisionen kann Gas entstehen, so dass einfach davon ausgegangen werden muss, dass ein bestimmter Anteil von Gas in der Scheibe vorhanden ist.

"Alles was wir benötigten, um schmale Ringe und andere Strukturen in unseren Modellen von Trümmerscheiben entstehen zu lassen, war ein wenig Gas - zu wenig, um es mit den meisten der heute verfügbaren Systeme entdecken zu können", erläutert Marc Kuchner vom Goddard Space Flight Center der NASA.

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Wenn ultraviolettes Licht vom Zentralstern auf ein Staubkorn oder einen Klumpen aus Eis trifft, kann es daraus Elektronen herausschlagen. Diese Elektronen können dann mit hoher Geschwindigkeit mit Gaspartikeln in der Umgebung kollidieren und das Gas dadurch aufheizen. Der erhöhte Gasdruck verändert aber den Widerstand, dem der um den Stern kreisende Staub ausgesetzt ist, so dass der Klumpen wächst und das Gas dadurch noch einfacher aufgeheizt werden kann.

Durch diesen kaskadierenden Prozess können schließlich Klumpen zu ganzen Bögen, Ringen oder ovalen Strukturen anwachsen - und dies innerhalb von nur einigen Zehnttausend Jahren. Im Vergleich zu den anderen Prozessen, die in dem jungen Sonnensystem ablaufen, ist dies ein sehr kurzer Zeitraum. Mit dem von Lyra und Kuchner entwickelten Computermodell lässt sich dieser Prozess verfolgen.

"Wir waren fasziniert, als wir die Entstehung dieser Strukturen in unseren Simulationen beobachten konnten", so Lyra. "Einige Ringe begannen zu oszillieren und sie ähnelten den Staubringen, die man um viele Sterne, wie beispielsweise um Fomalhaut, beobachtet."

In den Simulationen bildeten sich außerdem auch klumpige Bereiche aus Staub, in denen die Staubdichte um ein Vielfaches größer war als in anderen Regionen der Scheibe. Wenn ein Klumpen innerhalb eines Ringes aber eine zu große Dichte bekommt, bricht der Ring in einzelne Teilbögen auseinander, die sich dann zu einem einzelnen kompakten Klumpen verdichten. In realen Trümmerscheiben könnten einige dieser Klumpen ausreichend Licht reflektieren, um sie beobachten zu können.

"Wir würden diese Klumpen als helle, sich bewegende Lichtquelle sehen können, also genau als das, nach dem wir auf der Suche nach Planeten immer Ausschau halten", so Kuchner. Der von den beiden Astronomen in ihren Simulationen entdeckte Prozess könnte somit zahlreiche Strukturen um junge Sterne erklären, die man bislang immer mit Planeten in Verbindung gebracht hat. Dies dürfte die Suche nach fernen Welten nicht unbedingt einfacher machen.

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siehe auch
Herschel: Kalte Trümmerscheiben ohne Staub? - 9. Juli 2013
ALMA: Zwei kleine Planeten um Fomalhaut? - 12. April 2012
Herschel: Kometenkollisionen um Fomalhaut - 11. April 2012
ALMA: Erste Beobachtungen mit Teleskop-Array - 4. Oktober 2011
Hubble: Planet um Fomalhaut fotografiert - 14. November 2008
Extrasolare Planeten: Verräterische Muster im Staubring
Extrasolare Planeten: Neptun-großer Planet um Fomalhaut - 18. Juni 2007
Hubble: Ein Planet um Fomalhaut? - 24. Juni 2005
Ferne Welten - die astronews.com Berichterstattung über die Suche nach extrasolaren Planeten
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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