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Protoplanetare Scheiben: Hunderte Exokometen in jungem Planetensystem

Astronomen beobachteten Hunderte von Kometen in der Staubscheibe um den Stern Beta Pictoris und schlossen dabei auf zwei unterschiedliche Gruppen von Körpern. Eine von ihnen geht vermutlich auf das Auseinanderbrechen eines größeren Objekts zurück.
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Noch bevor die ersten extrasolaren Planeten entdeckt waren, stießen Astronomen bereits im Jahr 1987 auf Hinweise auf Kometen um andere Sterne. Eine Gruppe um Flavien Kiefer von der Tel Aviv University beobachtete in den Jahren 2003 bis 2011 Hunderte von Kometen in der Staubscheibe um den Stern Beta Pictoris. Dabei stellten die Forscher fest, dass sich die Bahnen der Körper sowie ihre physikalischen Eigenschaften erheblich unterschieden. Zwei Gruppen von Kometen stachen aus den gesammelten Daten hervor: zum einen ältere Körper, die bereits sehr viel Gas und Staub verloren haben müssen, und zum anderen frische Objekte, die vermutlich in der jüngeren Vergangenheit entstanden sind, als ein großer Urkörper zerbrach.

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Scheibe und Planet um Beta Pictoris | Die Infrarotaufnahme zeigt das System um den jungen Stern Beta Pictoris. Der Stern im Zentrum ist nicht zu sehen, da er für die Beobachtung ausgeblendet wurde. Dagegen ist die Staubscheibe in der Kantenansicht deutlich zu erkennen. Zudem zeigt sich in einem Abstand von rund neun Astronomischen Einheiten ein großer Gasplanet.

Obwohl Kometen erheblich kleiner als Planeten sind, lassen sie sich vergleichsweise einfach aufspüren. Das liegt an ihrer Gashülle, die entsteht, wenn flüchtige Stoffe bei der Erwärmung der Kometenkerne verdampfen. Manchmal schieben sich die Schweifsterne für eine kurze Zeit zwischen den Beobachter und ihren Stern. Während solcher Transits verändert sich dessen Spektrum, da zusätzliche Absorptionslinien auftreten. Sie entstehen im Gas der Kometen und sind typischerweise zu längeren Wellenlängen hin verschoben. Eine solche Dopplerverschiebung geht auf die Bewegung der Körper in Richtung ihrer Zentralgestirne zurück und erlaubt gleichzeitig Rückschlüsse auf die Geschwindigkeiten der Objekte. Die Exokometen werden auch als "Falling Evaporating Bodies" (FEBs) bezeichnet.

Die ersten FEBs entdeckten Forscher um den rund 63 Lichtjahre entfernten jungen Stern Beta Pictoris im Sternbild Maler. Der Stern befindet sich erst seit Kurzem in einem stabilen Gleichgewicht, bei dem die Fusionsprozesse im Zentrum ihn gegen seine eigene Schwerkraft stabilisieren. Er ist noch von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben, in der Planeten entstehen. In einer Entfernung von rund neun Astronomischen Einheiten zu dem Stern wurde bereits ein großer Planet mit mehreren Jupitermassen mit Hilfe von bildgebenden Beobachtungen aufgespürt.

Acht Jahre lang nahmen die Astronomen das System unter die Lupe und sammelten mit dem Spektrografen HARPS der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile Daten von zahlreichen Kometentransits. Dabei machten sie eine interessante Entdeckung: Die rund 500 beobachteten Kometen ließen sich in zwei Gruppen einordnen. Sie unterscheiden sich in ihren Geschwindigkeiten, ihren Entfernungen zum Stern und vermutlich auch in ihrer Beschaffenheit. Überrascht stellten die Forscher fest, dass die weiter entfernten Körper nicht nur weit gehend gleiche Geschwindigkeiten aufwiesen, sondern dass sie zudem alle aus derselben Richtung zu kommen schienen. Das spricht dafür, dass sie denselben Ursprung haben und vermutlich beim Auseinanderbrechen eines größeren Objekts entstanden sind.

Zu diesem Szenario passt auch ihre – im Vergleich zu der zweiten Gruppe – höhere Aktivität. Sie ließe sich dadurch erklären, dass diese Kometen verhältnismäßig junge Fragmente sind, die bei Erwärmung noch viel Gas ausstoßen. Im Gegensatz dazu könnten sich die Körper der zweiten Gruppe in einer Bahnresonanz mit einem Planeten befinden. Ihre niedrigeren Verdampfungsraten ließen sich durch das Aufbrauchen von flüchtigen Materialien im Verlauf von zahlreichen vergangenen Annäherungen zu ihrem Zentralgestirn erklären.

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  • Quellen
Kiefer, F. et al., Nature 514, 2014

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