Astronomen verwenden „kleine Wirbelstürme“, um Planeten um junge Sterne zu wiegen und zu datieren

Kleine „Hurrikane“, die sich in den Gas- und Staubscheiben um junge Sterne bilden, können verwendet werden, um bestimmte Aspekte der Planetenentstehung zu untersuchen, sogar für kleinere Planeten, die ihren Stern in großen Entfernungen umkreisen und für die meisten Teleskope unerreichbar sind.

Forscher der University of Cambridge und des Institute for Advanced Study haben eine Technik entwickelt, die Beobachtungen dieser „Hurrikane“ durch das Atacama Large Millimeter/submillimetre Array (ALMA) nutzt, um der Masse und dem Alter von Planeten bei jungen Menschen Grenzen zu setzen Sternensystem.

Pfannkuchenartige Wolken aus Gasen, Staub und Eis, die junge Sterne umgeben – sogenannte protoplanetare Scheiben –, sind der Ausgangspunkt für den Prozess der Planetenentstehung. Durch einen als Kernakkretion bekannten Prozess bewirkt die Schwerkraft, dass Partikel in der Scheibe aneinander haften und schließlich größere Festkörper wie Asteroiden oder Planeten bilden. Wenn sich junge Planeten bilden, fangen sie an, Lücken in die protoplanetare Scheibe zu ritzen, wie Rillen auf einer Schallplatte.

Sogar ein relativ kleiner Planet – nach einigen neueren Berechnungen nur ein Zehntel der Masse des Jupiters – kann solche Lücken schaffen. Da diese „Super-Neptun“-Planeten ihren Stern in einer größeren Entfernung umkreisen können als Pluto die Sonne umkreist, können herkömmliche Methoden zur Erkennung von Exoplaneten nicht verwendet werden.

Zusätzlich zu den Rillen haben Beobachtungen von ALMA andere ausgeprägte Strukturen in protoplanetaren Scheiben gezeigt, wie etwa bananen- oder erdnussförmige Bögen und Klumpen. Es wurde angenommen, dass zumindest einige dieser Strukturen auch von Planeten angetrieben wurden.

„Irgendetwas muss die Bildung dieser Strukturen verursachen“, sagte Hauptautor Professor Roman Rafikov vom Cambridge Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics und dem Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey. „Einer der möglichen Mechanismen zur Erzeugung dieser Strukturen – und sicherlich der faszinierendste – ist, dass sich Staubpartikel, die wir als Bögen und Klumpen sehen, in den Zentren von Flüssigkeitswirbeln konzentrieren: im Wesentlichen kleine Wirbelstürme, die durch eine bestimmte Instabilität bei ausgelöst werden können die Ränder der Lücken, die von Planeten in protoplanetare Scheiben geschnitten wurden.“

Arbeiten mit seinem Ph.D. Student Nicolas Cimerman, Rafikov, verwendete diese Interpretation, um eine Methode zu entwickeln, um die Masse oder das Alter eines Planeten einzuschränken, wenn ein Wirbel in einer protoplanetaren Scheibe beobachtet wird. Ihre Ergebnisse wurden zur Veröffentlichung in zwei getrennten Papieren im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

„Es ist extrem schwierig, kleinere Planeten zu untersuchen, die weit von ihrem Stern entfernt sind, indem man sie direkt abbildet: Es wäre, als würde man versuchen, ein Glühwürmchen vor einem Leuchtturm zu entdecken“, sagte Rafikov. „Wir brauchen andere, andere Methoden, um etwas über diese Planeten zu lernen.“

Um ihre Methode zu entwickeln, berechneten die beiden Forscher zunächst theoretisch, wie lange es dauern würde, bis ein Planet in der Scheibe einen Wirbel erzeugt. Anschließend verwendeten sie diese Berechnungen, um die Eigenschaften von Planeten in Scheiben mit Wirbeln einzuschränken, wobei sie im Grunde niedrigere Grenzen für die Masse oder das Alter des Planeten festlegten. Sie nennen diese Techniken „Vortex-Wägung“ und „Vortex-Datierung“ von Planeten.

Wenn ein wachsender Planet massiv genug wird, beginnt er, Material von der Scheibe wegzudrücken, wodurch die verräterische Lücke in der Scheibe entsteht. Wenn dies geschieht, wird Material auf der Außenseite des Spalts dichter als Material auf der Innenseite des Spalts. Wenn der Spalt tiefer wird und die Dichteunterschiede groß werden, kann eine Instabilität ausgelöst werden. Diese Instabilität stört die Scheibe und kann schließlich einen Wirbel erzeugen.

„Im Laufe der Zeit können mehrere Wirbel miteinander verschmelzen und sich zu einer großen Struktur entwickeln, die wie die Bögen aussieht, die wir mit ALMA beobachtet haben“, sagte Cimerman. Da die Wirbel Zeit brauchen, um sich zu bilden, ist ihre Methode den Forschern zufolge wie eine Uhr, die helfen kann, die Masse und das Alter des Planeten zu bestimmen.

„Massivere Planeten erzeugen Wirbel aufgrund ihrer stärkeren Schwerkraft früher in ihrer Entwicklung, sodass wir die Wirbel nutzen können, um der Masse des Planeten einige Einschränkungen aufzuerlegen, selbst wenn wir den Planeten nicht direkt sehen können“, sagte Rafikov.

Anhand verschiedener Datenpunkte wie Spektren, Leuchtkraft und Bewegung können Astronomen das ungefähre Alter eines Sterns bestimmen. Mit diesen Informationen berechneten die Cambridge-Forscher die geringstmögliche Masse eines Planeten, der seit der Bildung der protoplanetaren Scheibe in einer Umlaufbahn um den Stern gewesen sein könnte und einen Wirbel erzeugen konnte, der von ALMA gesehen werden konnte. Dies half ihnen, eine untere Grenze für die Masse des Planeten festzulegen, ohne sie direkt zu beobachten.

Durch die Anwendung dieser Technik auf mehrere bekannte protoplanetare Scheiben mit markanten Bögen, die auf Wirbel hindeuten, fanden die Forscher heraus, dass die mutmaßlichen Planeten, die diese Wirbel erzeugen, Massen von mindestens mehreren zehn Erdmassen im Super-Neptun-Bereich haben müssen.

„In meiner täglichen Arbeit konzentriere ich mich oft auf die technischen Aspekte der Durchführung der Simulationen“, sagte Cimerman. „Es ist spannend, wenn Dinge zusammenkommen und wir unsere theoretischen Erkenntnisse nutzen können, um etwas über reale Systeme zu lernen.“

„Unsere Beschränkungen können mit den Grenzen anderer Methoden kombiniert werden, um unser Verständnis der planetaren Eigenschaften und Wege der Planetenentstehung in diesen Systemen zu verbessern“, sagte Rafikov. „Indem wir die Planetenentstehung in anderen Sternensystemen untersuchen, erfahren wir möglicherweise mehr darüber, wie sich unser eigenes Sonnensystem entwickelt hat.“