Beta Pictoris, ein junges Planetensystem, das nur 63 Lichtjahre entfernt liegt, fasziniert Wissenschaftler auch nach Jahrzehnten eingehender Forschung weiterhin. Es besitzt die erste abgebildete Staubscheibe um einen anderen Stern – eine Scheibe aus Trümmern, die durch Kollisionen zwischen Asteroiden, Kometen und Planetesimalen entstanden sind.
Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA enthüllten eine zweite Trümmerscheibe in diesem System, die gegenüber der äußeren Scheibe, die zuerst gesehen wurde, geneigt ist. Jetzt hat ein Team von Astronomen mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA eine neue, bisher ungesehene Struktur entdeckt, um das Beta-Pictoris-System (Beta Pic) abzubilden.
Das Team unter der Leitung von Isabel Rebollido vom Zentrum für Astrobiologie in Spanien nutzte Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) und MIRI (Mid-Infrared Instrument), um die Zusammensetzung der zuvor entdeckten Haupt- und Sekundärtrümmerscheiben von Beta Pic zu untersuchen. Die Ergebnisse übertrafen ihre Erwartungen und enthüllten einen stark geneigten Staubzweig in Form eines Katzenschwanzes, der sich vom südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe erstreckt.
„Beta Pictoris ist die Trümmerscheibe, die alles hat: Sie hat einen wirklich hellen, nahen Stern, den wir sehr gut untersuchen können, und eine komplexe zirkumstellare Umgebung mit einer Scheibe aus mehreren Komponenten, Exokometen und zwei abgebildeten Exoplaneten“, sagte Rebollido. Hauptautor der Studie. „Obwohl es in diesem Wellenlängenbereich bereits frühere Beobachtungen vom Boden aus gab, hatten diese nicht die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung, die wir jetzt mit Webb haben, sodass sie dieses Merkmal nicht entdeckten.“
Dies ist eine Animation, die die Entstehung des Katzenschwanzes darstellt, wie sie von einem Team von Astronomen vermutet wurde. Der Schwanz der Katze könnte das Ergebnis eines Staubentwicklungsereignisses – etwa einer Kollision – sein, das sich vor nur hundert Jahren ereignete. Diese Staubranke, die im südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe von Beta Pic zu sehen ist, erstreckt sich schätzungsweise über 10 Milliarden Meilen. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, R. Crawford (STScI), C. Stark (NASA-GSFC), M. Perrin (STScI) und I. Rebollido (Astrobiology Center).
Das Porträt eines Stars wurde mit Webb verbessert
Selbst mit Webb oder JWST war es entscheidend, Beta Pic im richtigen Wellenlängenbereich – in diesem Fall im mittleren Infrarot – zu betrachten, um den Schwanz der Katze zu erkennen, da er nur in den MIRI-Daten auftauchte. Webbs Mittelinfrarotdaten zeigten auch Temperaturunterschiede zwischen den beiden Scheiben von Beta Pic, was wahrscheinlich auf Unterschiede in der Zusammensetzung zurückzuführen ist.
„Wir haben nicht damit gerechnet, dass Webb verrät, dass es rund um Beta Pic zwei verschiedene Arten von Material gibt, aber MIRI hat uns deutlich gezeigt, dass das Material der Sekundärscheibe und des Katzenschwanzes heißer ist als das der Hauptscheibe“, sagte Christopher Stark, ein Co-Autor -Autor der Studie am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Der Staub, der die Scheibe und den Schweif bildet, muss sehr dunkel sein, sodass wir ihn bei sichtbaren Wellenlängen nicht leicht erkennen können – aber im mittleren Infrarot leuchtet er.“
Um die höhere Temperatur zu erklären, folgerte das Team, dass der Staub hochporöses „organisches feuerfestes Material“ sein könnte, ähnlich der Materie, die auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Beispielsweise ergab eine vorläufige Analyse von Material, das im Rahmen der OSIRIS-REx-Mission der NASA vom Asteroiden Bennu entnommen wurde, dass dieser sehr dunkel und kohlenstoffreich ist, ähnlich wie das, was MIRI bei Beta Pic entdeckte.
Der rätselhafte Anfang des Schwanzes erfordert zukünftige Forschung
Es bleibt jedoch eine wichtige Frage offen: Was könnte die Form des Katzenschwanzes erklären, ein einzigartig gekrümmtes Merkmal, das sich von dem unterscheidet, was man in Scheiben um andere Sterne sieht?
Rebollido und das Team modellierten verschiedene Szenarien, um den Schwanz der Katze nachzuahmen und seine Herkunft aufzudecken. Obwohl weitere Forschung und Tests erforderlich sind, stellt das Team eine starke Hypothese auf, dass der Schwanz der Katze das Ergebnis eines Staubproduktionsereignisses ist, das gerade einmal hundert Jahre zurückliegt.
„Etwas passiert – wie eine Kollision – und es entsteht viel Staub“, sagte Marshall Perrin, Mitautor der Studie am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. „Zuerst bewegt sich der Staub in derselben Umlaufrichtung wie seine Quelle, aber dann beginnt er sich auch auszubreiten. Das Licht des Sterns schiebt die kleinsten, flauschigsten Staubpartikel schneller vom Stern weg, während sich die größeren Körner nicht bewegen.“ so viel, wodurch eine lange Staubranke entsteht.
„Die Schwanzform der Katze ist höchst ungewöhnlich und die Krümmung mit einem dynamischen Modell zu reproduzieren war schwierig“, erklärte Stark. „Unser Modell erfordert Staub, der extrem schnell aus dem System gedrückt werden kann, was wiederum darauf hindeutet, dass es aus organischem, feuerfestem Material besteht.“
Das vom Team bevorzugte Modell erklärt den spitzen Winkel des Schwanzes weg von der Scheibe als einfache optische Täuschung. Unsere Perspektive in Kombination mit der gekrümmten Form des Schwanzes erzeugt den beobachteten Winkel des Schwanzes, während der Materialbogen tatsächlich nur mit einer Neigung von fünf Grad von der Scheibe abweicht. Unter Berücksichtigung der Helligkeit des Schwanzes schätzt das Team, dass die Staubmenge im Schwanz der Katze der eines großen Hauptgürtelasteroiden entspricht, der sich über 10 Milliarden Meilen erstreckt.
Ein kürzliches Staubproduktionsereignis innerhalb der Trümmerscheiben von Beta Pic könnte auch eine neu beobachtete asymmetrische Ausdehnung der geneigten inneren Scheibe erklären, wie sie in den MIRI-Daten gezeigt wird und nur auf der dem Schweif gegenüberliegenden Seite zu sehen ist. Die jüngste Staubproduktion durch Kollisionen könnte auch für ein Merkmal verantwortlich sein, das bereits 2014 vom Atacama Large Millimeter/submillimeter Array entdeckt wurde: einen Kohlenmonoxidklumpen (CO), der sich in der Nähe des Schwanzes der Katze befand. Da die Strahlung des Sterns CO innerhalb von etwa hundert Jahren abbauen sollte, könnte diese immer noch vorhandene Gaskonzentration ein bleibender Beweis für dasselbe Ereignis sein.
„Unsere Untersuchungen deuten darauf hin, dass Beta Pic möglicherweise noch aktiver und chaotischer ist, als wir bisher angenommen hatten“, sagte Stark. „JWST überrascht uns immer wieder, selbst wenn wir die am besten untersuchten Objekte betrachten. Wir haben ein völlig neues Fenster in diese Planetensysteme.“
Diese Ergebnisse wurden in einer Pressekonferenz im präsentiert 243. Treffen der American Astronomical Society in New Orleans, Louisiana.