Webb enthüllt Kräfte, die protoplanetare Scheiben formen

Jede Sekunde werden im sichtbaren Universum mehr als 3.000 Sterne geboren. Viele sind von einer sogenannten protoplanetaren Scheibe umgeben, einem wirbelnden „Pfannkuchen“ aus heißem Gas und Staub, aus dem sich Planeten bilden. Die genauen Prozesse, die zur Entstehung von Sternen und Planetensystemen führen, sind jedoch immer noch kaum verstanden.

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Forschern der University of Arizona hat mithilfe des James Webb-Weltraumteleskops der NASA einige der detailliertesten Einblicke in die Kräfte erhalten, die protoplanetare Scheiben formen. Die Beobachtungen bieten Einblicke in das Aussehen unseres Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren.

Konkret gelang es dem Team, sogenannte Scheibenwinde in beispielloser Detailgenauigkeit aufzuspüren. Bei diesen Winden handelt es sich um Gasströme, die von der Planetenscheibe in den Weltraum blasen. Diese Winde werden größtenteils durch Magnetfelder angetrieben und können in nur einer Sekunde mehrere Dutzend Kilometer zurücklegen.

Die Erkenntnisse der Forscher, veröffentlicht In Naturastronomiehelfen Astronomen besser zu verstehen, wie junge Planetensysteme entstehen und sich entwickeln.

Laut der Hauptautorin des Artikels, Ilaria Pascucci, Professorin am Lunar and Planetary Laboratory der U of A, besteht einer der wichtigsten Prozesse, die in einer protoplanetaren Scheibe ablaufen, darin, dass der Stern Materie aus seiner umgebenden Scheibe frisst, was als Akkretion bezeichnet wird.

„Wie ein Stern Masse ansammelt, hat großen Einfluss darauf, wie sich die umgebende Scheibe im Laufe der Zeit entwickelt, einschließlich der Art und Weise, wie sich später Planeten bilden“, sagte Pascucci. „Die genauen Mechanismen, auf denen dies geschieht, sind noch nicht geklärt, aber wir glauben, dass Winde, die von Magnetfeldern über den größten Teil der Scheibenoberfläche angetrieben werden, eine sehr wichtige Rolle spielen könnten.“

Junge Sterne wachsen, indem sie Gas aus der sie umgebenden Scheibe ansaugen. Dazu muss das Gas jedoch zunächst einen Teil seiner Trägheit verlieren. Andernfalls würde das Gas den Stern ständig umkreisen und niemals auf ihn fallen. Astrophysiker nennen diesen Prozess „Drehimpulsverlust“, aber wie genau das geschieht, ist unklar.

Um besser zu verstehen, wie der Drehimpuls in einer protoplanetaren Scheibe funktioniert, hilft es, sich eine Eiskunstläuferin auf dem Eis vorzustellen: Wenn man die Arme neben den Körper legt, dreht sie sich schneller, während man sie ausstreckt, verlangsamt sie die Drehung. Da sich ihre Masse nicht ändert, bleibt der Drehimpuls gleich.

Damit es zur Akkretion kommt, muss das Gas in der Scheibe einen Drehimpuls abgeben, aber Astrophysiker können sich nur schwer darauf einigen, wie das genau geschieht. In den letzten Jahren haben sich Scheibenwinde zu wichtigen Akteuren entwickelt, die etwas Gas von der Scheibenoberfläche abtransportieren – und damit Drehimpuls –, wodurch das übrig gebliebene Gas nach innen wandern und schließlich auf den Stern fallen kann.

Da es andere Prozesse gibt, die protoplanetare Scheiben formen, ist es wichtig, zwischen den verschiedenen Phänomenen unterscheiden zu können, so die Zweitautorin des Artikels, Tracy Beck vom Space Telescope Science Institute der NASA.

Während Material am inneren Rand der Scheibe durch das Magnetfeld des Sterns im sogenannten X-Wind herausgedrückt wird, werden die äußeren Teile der Scheibe durch intensives Sternenlicht erodiert, was zu sogenannten thermischen Winden führt, die stark wehen langsamere Geschwindigkeiten.

„Um zwischen magnetfeldgetriebenem Wind, thermischem Wind und X-Wind zu unterscheiden, brauchten wir wirklich die hohe Empfindlichkeit und Auflösung von JWST (dem James Webb-Weltraumteleskop)“, sagte Beck.

Im Gegensatz zum eng fokussierten X-Wind stammen die in der vorliegenden Studie beobachteten Winde aus einer größeren Region, die die inneren, felsigen Planeten unseres Sonnensystems umfassen würde – ungefähr zwischen Erde und Mars. Diese Winde erstrecken sich auch weiter über die Scheibe als thermische Winde und erreichen Entfernungen, die das Hundertfache der Entfernung zwischen Erde und Sonne übertreffen.

„Unsere Beobachtungen deuten stark darauf hin, dass wir die ersten Bilder der Winde erhalten haben, die den Drehimpuls beseitigen und das seit langem bestehende Problem der Entstehung von Sternen und Planetensystemen lösen können“, sagte Pascucci.

Für ihre Studie wählten die Forscher vier protoplanetare Scheibensysteme aus, die von der Erde aus betrachtet alle von der Kante zu sehen sind.

„Ihre Ausrichtung ermöglichte es dem Staub und Gas in der Scheibe, als Maske zu fungieren und einen Teil des Lichts des hellen Zentralsterns zu blockieren, das andernfalls die Winde überwältigt hätte“, sagte Naman Bajaj, ein Doktorand am Lunar and Planetary Laboratory, der dazu beigetragen hat zum Studium.

Durch die Abstimmung der JWST-Detektoren auf unterschiedliche Moleküle in bestimmten Übergangszuständen konnte das Team verschiedene Windschichten verfolgen. Die Beobachtungen zeigten eine komplizierte, dreidimensionale Struktur eines zentralen Strahls, der in einer kegelförmigen Hülle aus Winden eingebettet ist, die aus zunehmend größeren Scheibenabständen stammen, ähnlich der Schichtstruktur einer Zwiebel.

Eine wichtige neue Erkenntnis war den Forschern zufolge die konsistente Entdeckung eines ausgeprägten zentralen Lochs im Inneren der Kegel, das durch molekulare Winde in jeder der vier Scheiben gebildet wurde.

Als nächstes hofft Pascuccis Team, diese Beobachtungen auf weitere protoplanetare Scheiben auszuweiten, um ein besseres Gefühl dafür zu bekommen, wie häufig die beobachteten Scheibenwindstrukturen im Universum vorkommen und wie sie sich im Laufe der Zeit entwickeln.

„Wir glauben, dass sie häufig vorkommen könnten, aber bei vier Objekten ist es etwas schwierig zu sagen“, sagte Pascucci. „Wir wollen mit James Webb eine größere Stichprobe erhalten und dann auch sehen, ob wir Veränderungen in diesen Winden erkennen können, wenn sich Sterne zusammensetzen und Planeten entstehen.“