Demografische Daten von Hunderten dieser Objekte, die etwa tausend Lichtjahre entfernt sind, zeigen, wie ihre Masse mit dem Alter variiert.
Ein Team unter der Leitung von Sirk Tervisga vom Max-Planck-Institut für Astronomie analysierte die Massenverteilung von mehr als 870 Planetenscheiben in der Wolke von Orion A. Durch die Auswertung der statistischen Eigenschaften dieser beispiellosen Scheibenprobe und die Entwicklung einer innovativen Datenmanipulationstechnik fanden sie heraus dass abseits von feindlichen Umgebungen wie heißen Sternen die Verringerung der Masse der Scheibe nur von ihrem Alter abhängt. Die Ergebnisse legen nahe, dass sich mindestens 1.000 Lichtjahre von der Erde entfernt Planetenscheiben und Planetensysteme auf ähnliche Weise entwickeln.
Die Darstellung dieses Künstlers veranschaulicht, wie oft die Planetenscheiben um junge Sterne herum aussehen. Sie bestehen zunächst aus Staub und Gas, die sich zu Ringen aus dichtem Material verdichten. Mit der Zeit wachsen aus festen Bestandteilen Steine, die schließlich zu Planeten werden können. Da die in dieser Studie verwendeten ALMA-Beobachtungen nur für millimetergroße Staubkörner empfindlich sind, erzeugen entwickelte Scheiben, die größere Objekte oder sogar Planeten enthalten, ein relativ schwaches Signal vom Rest des Materials. Neue Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich solche Scheiben ohne externe Strahlung auf ähnliche Weise entwickeln. Nach etwa einer Million Jahren haben die meisten von ihnen nicht mehr genug Masse, um große Planeten wie Jupiter zu produzieren. Wahrscheinlich haben sich dort bereits solche Planeten gebildet.
© Graphische Abteilung des MPIA
Die Darstellung dieses Künstlers veranschaulicht, wie oft die Planetenscheiben um junge Sterne herum aussehen. Sie bestehen zunächst aus Staub und Gas, die sich zu Ringen aus dichtem Material verdichten. Mit der Zeit wachsen aus festen Bestandteilen Steine, die schließlich zu Planeten werden können. Da die in dieser Studie verwendeten ALMA-Beobachtungen nur für millimetergroße Staubkörner empfindlich sind, erzeugen entwickelte Scheiben, die größere Objekte oder sogar Planeten enthalten, ein relativ schwaches Signal vom Rest des Materials. Neue Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich solche Scheiben ohne externe Strahlung auf ähnliche Weise entwickeln. Nach etwa einer Million Jahren haben die meisten von ihnen nicht mehr genug Masse, um große Planeten wie Jupiter zu produzieren. Wahrscheinlich haben sich dort bereits solche Planeten gebildet.
© Graphische Abteilung des MPIA
Einige der spannendsten Fragen der heutigen astronomischen Forschung sind: Wie sehen andere Planetensysteme aus? Wie vergleichbar ist das Sonnensystem mit anderen Planetensystemen? Ein Team von Astronomen hat bereits entscheidende Hinweise zur Lösung dieses Rätsels gefunden. „Bisher wussten wir nicht genau, welche Eigenschaften die Entwicklung von Planetenscheiben um junge Sterne dominierten“, sagt Sirk van Tervisga, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Er ist der Hauptautor einer großen Forschungsarbeit in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics. „Unsere neuen Ergebnisse zeigen bereits, dass in Umgebungen ohne äußere Einflüsse die beobachtete Scheibenmasse, die für die Bildung neuer Planeten zur Verfügung steht, nur vom Alter des Stern-Scheibe-Systems abhängt“, ergänzt van Tervisga.
Die Scheibenmasse ist eine Schlüsseleigenschaft bei der Untersuchung der Entwicklung von Planetenscheiben. Diese Größe bestimmt, wie viel Material für die Anwendung auf Planeten zur Verfügung steht. Je nach Alter der Scheibe kann sie auch Hinweise auf die dort bereits vorhandenen Planeten geben. Äußere Einflüsse wie Strahlung und Winde von nahen massereichen Sternen beeinträchtigen offensichtlich die Stabilität der Scheiben. Allerdings sind solche Umgebungen selten und diese Prozesse verraten nicht viel über die Scheiben selbst. Stattdessen interessieren sich Experten eher für die Eigenschaften innerer Scheiben wie Alter, chemische Zusammensetzung oder Dynamik der Mutterwolke, aus der junge Sterne und ihre Scheiben hervorgegangen sind .
Um die verschiedenen Beiträge aufzuschlüsseln, wählte das astronomische Team eine große und bekannte Region mit jungen Scheibensternen aus, die Wolke Orion A. Sie liegt etwa 1350 Lichtjahre von der Erde entfernt. „Orion A hat uns eine beispiellose Auswahl von mehr als 870 Scheiben rund um junge Stars gegeben. Dies war entscheidend, damit wir nach kleinen Schwankungen der Scheibenmasse als Funktion des Alters und sogar der lokalen Umgebung in der Wolke suchen konnten“, erklärt Alvaro Hakar, Co-Autor und Forscher an der Universität Wien, Österreich. Die Probe basiert auf früheren Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Herschel, die die Scheiben identifizieren konnten. Die Kombination mehrerer Wellenlängen lieferte ein Kriterium zur Altersschätzung. Da sie alle zur selben Wolke gehören, erwarteten die Forscher nur geringe Effekte durch chemische und zeitliche Veränderungen in der Wolke. Sie vermeiden jeden Einfluss massereicher Sterne im nahe gelegenen Sternhaufen des Orionnebels (ONC), mit Ausnahme von Scheiben, die weniger als 13 Lichtjahre entfernt sind.
Dieses Bild zeigt die riesige Sternentstehungswolke Orion A, die vom SPIRE-Instrument (Spectral and Photometric Image Receiver) an Bord des Herschel-Weltraumteleskops beobachtet wurde. Es zeigt die großräumige Verteilung von kaltem Staub. Orion A ist etwa 1350 Lichtjahre alt und besteht aus einzelnen Sternentstehungsregionen, die durch ihre Etiketten identifiziert werden. Die Positionen der von ALMA beobachteten Planetenscheiben (+) sind angegeben, während Scheiben mit Staubmassen von mehr als 100 Erdmassen als blaue Punkte erscheinen. Der berühmte Orionnebel, der mit bloßem Auge am Himmel sichtbar ist, beherbergt den Orionnebel (ONC), der mehrere massive Sterne umfasst, die intensive Strahlung aussenden.
© SE van Terwisga et al./MPIA
Dieses Bild zeigt die riesige Sternentstehungswolke Orion A, die vom SPIRE-Instrument (Spectral and Photometric Image Receiver) an Bord des Herschel-Weltraumteleskops beobachtet wurde. Es zeigt die großräumige Verteilung von kaltem Staub. Orion A ist etwa 1350 Lichtjahre alt und besteht aus einzelnen Sternentstehungsregionen, die durch ihre Etiketten identifiziert werden. Die Positionen der von ALMA beobachteten Planetenscheiben (+) sind angegeben, während Scheiben mit Staubmassen von mehr als 100 Erdmassen als blaue Punkte erscheinen. Der berühmte Orionnebel, der mit bloßem Auge am Himmel sichtbar ist, beherbergt den Orionnebel (ONC), der mehrere massive Sterne umfasst, die intensive Strahlung aussenden.
© SE van Terwisga et al./MPIA
Um die Masse der Scheibe zu messen, verwendete das Team ein großes Millimeter-/Submillimeter-Atacama-Array (ALMA), das sich auf dem Chinantor-Plateau in der Atacama-Wüste in Chile befindet. ALMA besteht aus 66 Parabolantennen, die als ein Teleskop mit einstellbarer Winkelauflösung arbeiten. Die Wissenschaftler nutzten einen Beobachtungsmodus, der es ihnen ermöglichte, effektiv auf jede Scheibe bei einer Wellenlänge von etwa 1,2 Millimetern zu zielen. Kalte Scheiben sind in diesem Spektralbereich sehr hell, und der Beitrag von Zentralsternen ist unbedeutend. Mit diesem Ansatz konnten Astronomen die Staubmassen der Scheiben bestimmen. Beobachtungen sind jedoch unempfindlich gegenüber Objekten, die viel größer als einige Millimeter sind, z. B. Steine und Planeten. Das Team misst also tatsächlich die Masse des Scheibenmaterials, aus dem sich Planeten bilden können.
Vor der Berechnung der Masse der Scheibe kombinierten und kalibrierten die Forscher Daten von mehreren Dutzend ALMA-Teleskopen. Diese Aufgabe ist bei großen Datensätzen ziemlich herausfordernd. Mit Standardverfahren würde die Verarbeitung der gesammelten Daten Monate dauern. Stattdessen entwickelte das Team eine neue Methode mit parallelen Computern. „Unser neuer Ansatz hat die Verarbeitungsgeschwindigkeit um den Faktor 900 erhöht“, sagt Co-Autor Raymond Ounk vom kooperierenden IT-Dienstleister SURF. Die 3000 CPU-Stunden, die erforderlich waren, um die Aufgabe abzuschließen und die Daten für die weitere Analyse vorzubereiten, dauerten weniger als einen Tag.
Im Allgemeinen hat Orion A Scheiben, die Planeten bilden, die jeweils bis zu mehreren hundert Erdmassen Staub enthalten. Von den 870 Scheiben enthalten jedoch nur 20 Staub von mindestens 100 Erdmassen. Im Allgemeinen nimmt die Anzahl der Scheiben schnell zu höheren Massen ab, von denen die meisten weniger als 2,2 Erdmassen Staub enthalten. „Um nach Anomalien zu suchen, haben wir die Orion-A-Wolke geteilt und diese Regionen separat erkundet. Dank der Hunderte von Schichten waren die Teilmengen immer noch groß genug, um statistisch signifikante Ergebnisse zu liefern“, erklärt van Tervisga.
Tatsächlich fand das Team innerhalb von Orion A kleine Variationen in der Verteilung der Scheibenmassen auf einer Skala von mehreren zehn Lichtjahren, aber sie können alle durch den Alterseffekt erklärt werden, dh.
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