In einem fernen Sternensystem sieht das JWST das Ende der Planetenentstehung

Jedes Mal, wenn ein Stern entsteht, stellt dies eine Explosion von Möglichkeiten dar. Nicht für den Stern selbst; Sein Schicksal wird durch seine Masse bestimmt. Die Möglichkeiten, die es bedeutet, liegen in den Planeten, die sich um es herum bilden. Werden einige steinig sein? Werden sie in der bewohnbaren Zone sein? Wird es eines Tages Leben auf einem der Planeten geben?

In der Entwicklung jedes Sternsystems gibt es einen Punkt, an dem es keine Planeten mehr bilden kann. Es können sich keine Planeten mehr bilden, weil kein Gas und Staub mehr verfügbar ist und die Möglichkeiten der Planetenexpansion eingeschränkt sind. Aber die Gesamtmasse der Planeten eines Sternsystems summiert sich nie zu der Gesamtmasse an Gas und Staub, die um den jungen Stern herum vorhanden ist.

Was passiert mit der Masse und warum können sich nicht mehr Planeten bilden?

Wenn sich ein Protostern in einer Wolke aus molekularem Wasserstoff bildet, wird er von einer rotierenden Scheibe aus Gas und Staub begleitet, die als zirkumstellare Scheibe bezeichnet wird. Wenn sich Material zu immer größeren Körpern sammelt, bilden sich Planetesimale und schließlich Planeten. Zu diesem Zeitpunkt wird die Scheibe als protoplanetare Scheibe bezeichnet. Aber wie auch immer wir es nennen, die rotierende Scheibe ist das Materialreservoir, aus dem sich Planeten bilden.

In unserem Sonnensystem gibt es mehr felsige als gasförmige Objekte. Nicht nach Masse, sondern nach Anzahl. Wissenschaftler glauben, dass Systeme, die unserem ähneln, eine ähnliche Anzahl felsiger und gasförmiger Objekte bilden.

Aber in den Anfängen des Sonnensystems gab es weit mehr Gas als Feststoffe. Dies widerspricht der Tatsache, dass die Scheiben um junge Sterne 100-mal mehr Gas enthalten als Festkörper. Wohin geht das ganze Benzin?

Neue Forschungsergebnisse, die auf JWST-Beobachtungen basieren, liefern eine Antwort. Der Studie ist „JWST MIRI MRS Beobachtungen von T Cha: Entdeckung eines räumlich aufgelösten Scheibenwinds.“ Es ist veröffentlicht in Das Astronomische Journalund der Hauptautor ist Naman S. Bajaj, ein Doktorand am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona.

T Chamaelontis (T Cha) ist ein junger T-Tauri-Stern, der etwa 335 Lichtjahre entfernt liegt. T-Tauri-Sterne sind weniger als etwa 10 Millionen Jahre alt und noch nicht in die Hauptreihe eingetreten. An diesem Punkt ihrer Entwicklung lösen sich die Scheiben um T-Tauri-Sterne auf. Das Gas in der Scheibe wird aktiv im Weltraum verteilt.

„Zu wissen, wann sich das Gas verteilt, ist wichtig, da wir so eine bessere Vorstellung davon bekommen, wie viel Zeit gasförmige Planeten haben, um das Gas aus ihrer Umgebung zu verbrauchen“, sagte Hauptautor Bajaj. „Mit beispiellosen Einblicken in diese Scheiben, die junge Sterne, die Geburtsorte von Planeten, umgeben, hilft uns JWST dabei, herauszufinden, wie Planeten entstehen.“

Da die Art und Anzahl der Planeten, die sich in einer Scheibe um einen Stern bilden, davon abhängt, wie viel Gas und Staub verfügbar sind, ist es für das Verständnis des späteren Sternsystems von grundlegender Bedeutung zu wissen, wie und wann sich dieser ausbreitet.

„Kurz gesagt, das Ergebnis der Planetenentstehung hängt von der Entwicklung und Ausbreitung der Scheibe ab“, sagte Bajaj.

T Cha ist über sein junges Alter hinaus aus einem anderen Grund bemerkenswert. Seine erodierende zirkumstellare Scheibe weist eine riesige Staublücke mit einer Breite von etwa 30 Astronomischen Einheiten auf. Auf der Innenseite des Spalts befindet sich ein schmaler Materialring in der Nähe des Sterns, und auf der Außenseite des Spalts befindet sich der Rest des Scheibenmaterials. Ein Planetkandidat steckt in der Lücke, ist aber nicht Teil dieser Forschung.

Die Kraft, die Gas verteilt, wird Scheibenwind genannt. Bei dieser Forschung nutzten die beteiligten Wissenschaftler das JWST, um die Scheibe zu untersuchen und herauszufinden, was den Wind antreibt. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler den Scheibenwind abgebildet haben.

Bei der Scheibendispersion spielt die Ionisation eine große Rolle. Ionisierung geschieht, wenn energiereiche Photonen eines Sterns auf ein Atom treffen und ein oder mehrere Elektronen entfernen. Durch die Ionisierung verschiedener Arten von Atomen wird bestimmtes Licht freigesetzt, das das JWST sehen kann und mit dem Wissenschaftler die Aktivität in der Scheibe verfolgen können. Bei dieser Untersuchung entdeckte das JWST zwei ionisierte Edelgase: Argon und Neon. Das JWST entdeckte auch doppelt ionisiertes Argon, das erste Mal, dass es jemals in einer Scheibe nachgewiesen wurde.

Astronomen wissen seit einem Jahrzehnt, dass Ne ii die Spur von Scheibenwinden ist. Das haben Wissenschaftler herausgefunden, die mit dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA zusammenarbeiteten. Bei T Cha verfolgt das Ne ii die Emission von der Scheibe weg, was mit einem Scheibenwind vereinbar ist.

„Die Neonsignatur in unseren Bildern sagt uns, dass der Scheibenwind aus einer ausgedehnten Region außerhalb der Scheibe kommt“, sagte Bajaj. „Diese Winde könnten entweder durch hochenergetische Photonen – im Wesentlichen das Licht, das vom Stern ausströmt – oder durch das Magnetfeld angetrieben werden, das sich durch die Planetenscheibe bewegt.“

Es ist wichtig, die Quelle der Ionisierung zu verstehen. Um dem auf den Grund zu gehen, stützten sich die Forscher auf Simulationen. Die Forscher simulierten die intensive Strahlung des jungen Sterns und verglichen sie mit den JWST-Beobachtungen. Es gab eine gute Übereinstimmung, die zeigte, dass die energiereichen Sternphotonen die Scheibenausbreitung vorantreiben können.

„Unsere Entdeckung der räumlich aufgelösten Neonemission – und der erste Nachweis von doppelt ionisiertem Argon – mit dem James-Webb-Weltraumteleskop könnte der nächste Schritt sein, unser Verständnis darüber zu verändern, wie Gas aus einer Planetenbildungsscheibe austritt“, sagte Ilaria Pascucci, ein Professor am LPL, der dabei half zu entdecken, dass Neon Scheibenwinde aufspürt. „Diese Erkenntnisse werden uns helfen, eine bessere Vorstellung von der Geschichte und den Auswirkungen auf unser eigenes Sternensystem zu bekommen.“

Als junger T-Tauri-Stern verändert sich T Cha schnell. Frühere Beobachtungen vor etwa 17 Jahren mit Spitzer zeigten ein anderes Spektrum als diese Beobachtungen mit dem JWST. Die Unterschiede können durch eine kleine innere Materialscheibe in der Nähe von T Cha erklärt werden, die in den vergangenen 17 Jahren deutlich an Masse verloren hat. Konkret wissenschaftlich ausgedrückt: das MIRI [Ne ii] Der Windfluss ist 50 % höher als der Spitzer-Fluss aus dem Jahr 2006. Zukünftige Studien können dazu beitragen, noch mehr Licht auf diese Winddiagnoselinien zu werfen.

Chengyan Xie, ein Doktorand im zweiten Jahr am LPL, der an der Forschung beteiligt ist, glaubt, dass wir die Ausbreitung der Scheibe in Echtzeit beobachten und dass sich die Dinge weiterhin schnell ändern werden.

„Zusammen mit den anderen Studien deutet dies auch darauf hin, dass die T-Cha-Scheibe am Ende ihrer Entwicklung steht“, sagte Xie. „Vielleicht können wir noch zu unseren Lebzeiten Zeuge der Ausbreitung der gesamten Staubmasse in der inneren Scheibe von T Cha werden.“

Die Planetenentstehung könnte bei T Cha kurz vor dem Stillstand stehen, und das JWST hilft uns dabei, dies zu erkennen.