Lokalisierung junger Sterne und ihrer protoplanetaren Scheiben

Stellen Sie sich vor, Sie gehen mitten in der Nacht durch einen dichten, dunstigen Nebel und sehen in der Ferne Lichtflecken von Autos und Städten schimmern. Es ist fast unmöglich zu sagen, ob sich die Lichter tief im Nebel oder dahinter befinden. Astronomen, die versuchen, junge Sterne zu finden, stehen vor einem ähnlichen Problem: Das Licht von Sternen, die sie suchen, schimmert durch große Regionen aus dunstigem Gas und Staub im Weltraum, die sogenannten Molekülwolken.

Aber die Herzen dieser Wolken sind oft Brutstätten für junge Sterne und Planeten, die perfekten Orte, um herauszufinden, wie Himmelskörper entstehen – vorausgesetzt, Astronomen können sehen, was durch die Dunkelheit vor sich geht.

Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern in der Astronomieabteilung der BU einen kostengünstigen Weg gefunden, den Nebel zu durchdringen. Sie haben eine neue Methode entwickelt, die die Trübung der Staubwolke misst und es ihnen ermöglicht, das Vorhandensein von planetenbildenden Strukturen zu erkennen, die als protoplanetare Scheiben bekannt sind – Scheiben aus Gas und Staub, die um junge Sterne herum vorhanden sind und das Material für Planeten liefern Formen. Sie nutzten ihre Technik, um einen umfassenderen Einblick in das Innere einer Molekülstaubwolke zu erhalten, die sich 450 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Stier befindet. Dort steckt ein Zwei-Sterne-System noch in den Kinderschuhen, seine protoplanetaren Scheiben sind noch vorhanden und wahrscheinlich dabei, mehrere neue Planeten zu erschaffen.

„Wir versuchen effektiv, durch den Nebel der Wolke zu schauen, um zu sehen, was diese Sterne tun, sie sind wie Taschenlampen, die durch die Wolke scheinen“, sagt Dan Clemens, Professor am College of Arts & Sciences und Lehrstuhl für Astronomie Hauptautor eines Artikels, der die Techniken beschreibt, die verwendet werden, um einen genaueren Blick auf die planetenbildenden Scheiben der Sterne zu werfen. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Das Astrophysikalische Journal.

Wissenschaftler wissen nicht genau, wie Sterne und Planeten entstehen – obwohl sie einige der Bestandteile kennen, darunter Gas, Staub, Schwerkraft und Magnetfelder –, so dass die Untersuchung von Systemen wie diesem Einblicke in den Ablauf des Prozesses geben kann. In der Stierwolke umkreisen sich alle halbe Million Jahre ein junger, massearmer Stern und ein Brauner Zwerg – ein Brauner Zwerg wird manchmal als gescheiterter Stern bezeichnet, weil er Wasserstoff und Helium nicht wie hellere Sterne verschmilzt. Sowohl der Braune Zwerg als auch der junge Stern sind von protoplanetaren Scheiben umgeben.

Das BU-Team untersuchte erstmals die Scheiben in der Tauruswolke, als Anneliese Rilinger, eine Doktorandin im fünften Jahr an der Astronomieabteilung der BU, mit der Untersuchung des Sternensystems unter Verwendung von Radiowellen begann, die vom Atacama Large Millimeter Array (ALMA), dem größten Radioteleskop in, gesammelt wurden die Welt. Rilinger hatte zuvor eine Studie veröffentlicht mit Catherine Espaillat, einer außerordentlichen CAS-Professorin für Astronomie und Co-Autorin des neuen Artikels, die sich die Scheiben ansah, die die Sterne umgeben, und eine detaillierte Modellierung der Strukturen der Scheibe durchführte.

Ihre Arbeit mit Radiowellen weckte das Interesse von Clemens, die sich dann mit dem Rest ihres Teams, darunter Rilinger, Espaillat und BU Senior Research Scientist Thushara Pillai, auf den Weg machten, um Rilingers Beobachtungen desselben Systems mit Nahinfrarotlicht zu testen – a kürzere Wellenlänge als Radiowellen, knapp jenseits dessen, was das menschliche Auge alleine wahrnehmen kann. Sie wollten zeigen, dass es möglich ist, die Laufwerkspositionen mit alternativen – und daher besser zugänglichen – Tools genau zu modellieren.

Wenn die Sterne Licht aussenden, ist es unpolarisiert (was bedeutet, dass die Lichtwellen in mehrere Richtungen gehen). Aber wenn das Licht die dichte Molekülwolke durchdringt, wird dieses Licht aufgrund der Eigenschaften der Staubkörner und des in die Wolke eingebetteten Magnetfelds polarisiert – die Lichtwellen oszillieren in einer Richtung. Die Forscher verwendeten ein Nahinfrarot-Polarimeter am Perkins Telescope Observatory von BU, um die Polarisation des Lichts zu messen, das durch die Wolke fällt. Die Messung der Polarisation ermöglichte es dem Forschungsteam, die Signaturen der Sterne zu sehen, die ihnen die Ausrichtung der Scheiben verraten könnten. Die Herausforderung bestand dann darin, die Auswirkungen der umgebenden Wolke zu subtrahieren, um die genaue Natur des von den Sternen kommenden Lichts herauszufinden und die Ausrichtung der protoplanetaren Scheiben aufzudecken – indem nach Staub in der Staubwolke gesucht wurde.

Das Team bestätigte, dass die Nahinfrarot-Polarisationsdaten mit den Radiowellendaten übereinstimmten, was zeigt, dass es möglich ist, protoplanetare Scheiben ohne große Werkzeuge wie ALMA zu messen. Ihre Arbeit enthüllte auch etwas Interessantes über das System: Die Scheiben befinden sich in einer seltsamen Ausrichtung, die Astronomen nicht oft sehen – parallel zueinander und senkrecht zum Magnetfeld der größeren Wolke. Oft rotieren protoplanetare Scheiben parallel zum Magnetfeld der Staubwolke, was dieses System zu einem seltenen macht und Forschern die Möglichkeit gibt, neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie Scheiben Planeten bilden.

„Es war aufregend und eine solche Herausforderung, das Wissen darüber zu entwickeln, wie man die Wolkenbeiträge aus den intrinsischen Polarisationen von Sternen und jungen stellaren Objekten entfernen kann – das ist etwas, was noch nie zuvor gemacht wurde“, sagt Clemens. „Die von uns durchgeführte Nahinfrarot-Polarimetrie bot einen eigenen einzigartigen Einblick in die Scheiben sowie die Möglichkeit, tief in diese optisch undurchsichtigen Regionen zu blicken, in denen sich neue Sterne bilden.“ Ihre Werkzeuge könnten verwendet werden, um das Vorhandensein und die Ausrichtung von Scheiben in anderen tief verborgenen Regionen des Weltraums zu testen.

Obwohl sie noch dabei sind, Planeten zu bilden, scheinen der Braune Zwerg und der junge Stern in der Stierwolke bereits masseärmere Begleiter zu haben, die die Grenze zwischen einem Planeten und möglicherweise einem anderen Braunen Zwerg überspannen. In ihrem Teil des Weltraums werden sich wahrscheinlich in den nächsten fünf Millionen Jahren Planeten bilden.