Zusammenfassung:
Beobachtungen Dutzender junger sonnenähnlicher Sterne durch das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) der NASA zeigen, dass sich die Kräfte, die Gas aus den planetenbildenden Scheiben entfernen, mit zunehmender Reife von Sternensystemen ändern.
Das Gas, das zur Entstehung von Planeten um junge Sterne verwendet wird, verschwindet weiterhin. Neue Beobachtungen des Webb-Teleskops zeigen, dass dieser Gasverlust nicht in allen Stadien der frühen Entwicklung eines Planetensystems auf die gleiche Weise auftritt. Stattdessen scheinen sich die Sternwinde, die dafür verantwortlich sind, Material aus dem System wegzutragen, mit zunehmendem Alter des Systems zu ändern.
Diese von Naman Bajaj von der University of Arizona geleitete und von Uma Goldi, einer Wissenschaftlerin am SETI-Institut, beteiligte Studie analysierte die protoplanetaren Scheiben um 72 junge sonnenähnliche Sterne. Dies ist eine der bisher umfangreichsten Webb-Teleskopstudien zur Planetenentstehung. Die Studie ergab, dass in verschiedenen Stadien der Entwicklung der protoplanetaren Scheibe unterschiedliche Gasentfernungsmechanismen dominieren. Relevante Ergebnisse wurden im Astronomical Journal veröffentlicht.
Aufregend sei, sagte Goldi, dass Forscher nun anhand großer Proben junger Sterne beobachten können, wie sich die Mechanismen, die Gas aus Planeten bildenden Scheiben entfernen, im Laufe der Zeit ändern. Die Auflösung der protoplanetaren Scheibe stellt einen grundlegenden Takt für die Planetenbildung dar: Sobald das Gas verschwunden ist, ist die Chance, einen gasreichen Riesenplaneten zu bilden, praktisch vorbei.
Das heutige Sonnensystem ist etwa 4,5 Milliarden Jahre alt und der größte Teil davon ist leer. Allerdings war die junge Sonne in den ersten Millionen Jahren nach der Geburt der Sonne von einer dichten protoplanetaren Scheibe umgeben, in der die Gasmasse etwa das Hundertfache der Staubmasse betrug. Schließlich verschwindet der größte Teil dieses Gases.
Die Geschwindigkeit des Gasverschwindens ist entscheidend, da das Gas in der protoplanetaren Scheibe das Rohmaterial für die Entstehung von Riesenplaneten wie Jupiter und Saturn ist. Wenn sich das Gas vorzeitig auflöst, haben die Planeten möglicherweise keine Zeit, größere Atmosphären aufzubauen.
Bajai und Kollegen nutzten archivierte Beobachtungen des Mid-Infrared Instrument (MIRI) des Webb-Teleskops, um die Entwicklung der protoplanetaren Scheibe zu rekonstruieren. Diese 72 Sternensysteme befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien junger Planetensysteme. Die Forscher kombinierten sie zu einer Evolutionssequenz, um zu verfolgen, wie sich die Mechanismen, die Gas aus protoplanetaren Scheiben entfernen, mit dem Alter ändern.
Die Studie testet auch theoretische Vorhersagen, die gemacht wurden, bevor das Webb-Teleskop die betreffende Materie direkt beobachten konnte. Im Jahr 2020 fungierte die Professorin des Mond- und Planetenlabors, Ilariya Pascucci, als zweite Autorin des Artikels und fungierte als Bajajs Mentorin. Sie leitete das Team einst, um die Entwicklung von Jets und Sternwinden zu untersuchen. Damals konnten Forscher molekularen Wasserstoff noch nicht direkt beobachten, da das Webb-Teleskop noch nicht in Betrieb genommen worden war, aber sie sagten voraus, dass es in jungen Sternensystemen molekulare Winde geben könnte, die massiv genug sind, um Röntgenphotonen zu blockieren. Dieses Mal bestätigte das Webb-Teleskop diese Vorhersage, indem es molekularen Wasserstoff direkt verfolgte.
Die Forscher konzentrierten sich auf die Signale zweier Gase, die aus der protoplanetaren Scheibe austreten: molekularer Wasserstoff und ionisiertes Neon. Molekularer Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Molekül in protoplanetaren Scheiben. Dank der hervorragenden Empfindlichkeit und räumlichen Auflösung des Webb-Teleskops konnten Forscher ein breites Spektrum molekularer Wasserstoffwinde von Neonstrahlen und Sternwinden unterscheiden.
In den jüngsten Sternensystemen fällt immer noch Material in Richtung des Zentralsterns. Das Webb-Teleskop entdeckte, dass diese Systeme starke Jets und breite Ausflüsse aufweisen, die sowohl molekulare als auch atomare Gase enthalten. Ihre Eigenschaften stimmen mit Sternwinden überein, die von Magnetfeldern angetrieben werden, die die protoplanetare Scheibe durchdringen. Gas kann sich entlang magnetischer Feldlinien nach außen bewegen und dabei Masse und Drehimpuls wegnehmen.
Mit zunehmender Reife des Sternensystems fällt weniger Material in Richtung des Zentralsterns, der Jet beginnt schwächer zu werden und der Anteil an atomarem Gas im Ausfluss wird immer höher. Da weniger Material die hochenergetische Strahlung blockiert, kann die von jungen Sternen emittierte hochenergetische Strahlung tiefer in die protoplanetare Scheibe eindringen und das Gas so stark erhitzen, dass es entweichen kann. Dieser Vorgang wird Photoevaporation genannt.
Goldy hat Jahrzehnte damit verbracht, die Entwicklung protoplanetarer Scheiben und ihre Gasverlustprozesse zu untersuchen, einschließlich der Rolle von Ultraviolett- und Röntgenstrahlung bei der Erzeugung von photoevaporativen Winden. Das Webb-Teleskop hat diese theoretische Studie nun mit praktischen Messungen durch Beobachtungen Dutzender junger Sternsysteme verknüpft. Beobachtungen zeigen, dass mit zunehmendem Alter protoplanetarer Scheiben die Bedeutung der Photoverdampfung zunimmt, während magnetfeldgetriebene Jets und Sternwinde allmählich schwächer werden.
Beobachtungen zeigen, dass die Dissipation protoplanetarer Scheiben nicht durch einen einzigen Mechanismus gesteuert wird. Junge Planetensysteme scheinen einen Übergang von der Dominanz starker magnetfeldgetriebener Jets und Sternwinde in den frühen Stadien zu einer allmählichen Dominanz durch Ausströme von atomarem Gas, einschließlich photoevaporativer Winde, zu durchlaufen.
Veränderungen in diesem dominanten Mechanismus bestimmen, wie lange ein Planet die Gase erhalten kann, die er zur Bildung benötigt.
Planetenentstehung ist eigentlich ein Wettlauf gegen die Zeit, sagte Bajaj. Ein Gasriese wie Jupiter muss eine massive Atmosphäre entwickeln, solange seine protoplanetare Scheibe noch groß genug ist, um eine kontinuierliche Gasversorgung zu gewährleisten. Andernfalls würden Sternwinde und Jets diese Rohstoffe in den Weltraum befördern.
Von den 72 protoplanetaren Scheiben weisen 66 ein breites Spektrum an molekularem Wasserstoff und ionisierten Neonemissionen auf. Die Forscher entdeckten konische molekulare Wasserstoffwinde in 46 Systemen und schnelle Neonstrahlen in 40 Systemen. Alle protoplanetaren Scheiben mit Neonstrahlen weisen auch Hinweise auf Sternwinde auf, die durch molekularen Wasserstoff oder Sauerstoff verursacht werden.
Diese neue Analyse baut auf den früheren Beobachtungen des Teams mit dem Webb-Teleskop auf. Im Jahr 2024 haben Bajaj, Goldi und Kollegen ein Bild aufgenommen, das zeigt, dass die Planetenscheibe um den jungen Stern T Cha Gas verliert.
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass das Webb-Teleskop den Dissipationsprozess protoplanetarer Scheiben in einem einzelnen Planetensystem direkt beobachten kann. Die Studie weitet diesen Ansatz auf Dutzende junger Sterne aus und zeigt, wie sich die relative Bedeutung von Jets, molekularen Winden und atomaren Winden mit zunehmender Reife von Sternsystemen ändert.
Als nächstes hoffen die Forscher herauszufinden, wie viel Gas diese Sternwinde zu unterschiedlichen Zeiten wegtragen und welche Regionen der protoplanetaren Scheibe eine Materialquelle für das ausströmende Gas darstellen. Diese Messungen sollen nicht nur Aufschluss darüber geben, wie schnell sich das Planetenentstehungsfenster schließt, sondern könnten Wissenschaftlern auch dabei helfen, genau zu bestimmen, wo in der protoplanetaren Scheibe sich verschiedene Planetentypen gebildet haben könnten, bevor das verfügbare Gas verschwand.
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