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Stellare Staubscheiben: Ringstrukturen in Staubscheiben entstehen auch ohne Planeten

Entdeckung von Fomalhaut b

Immer wieder werden Ringstrukturen oder Lücken in Staubscheiben um junge Sterne als Belege für sich gerade bildende Exoplaneten angesehen. Nun weisen Wladimir Lyra und Marc Kuchner vom Jet Propulsion Laboratory und dem Goddard Space Flight Center der NASA darauf hin, dass solche Strukturen auch ohne die Anwesenheit von werdenden Planeten entstehen können. Sie führen ihre Existenz auf Wechselwirkungen zwischen den Staubpartikeln und dem in den Scheiben vorhandenen Gas zurück.

Staubring um Fomalhaut | Eine sich weit erstreckende Staubscheibe umgibt den Stern Fomalhaut. In ihr befindet sich auf dieser Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble ein ausgeprägter Staubring. Das Zentrum des Rings liegt etwa 15 Astronomische Einheiten neben dem Stern. Bislang führen die meisten Astronomen diesen Ring auf den gravitativen Einfluss eines Planeten im Umlauf um Fomalhaut zurück.

Lyra und Kuchner hatten bei ihren Arbeiten festgestellt, dass die meisten Modelle über die Entwicklung von stellaren Staubscheiben die Anwesenheit von Gas ignorieren. Tatsächlich werden in solchen Scheiben Gasgehalte von mindestens einigen Prozent beobachtet, in manchen von ihnen beträgt das Verhältnis von Gas zu Staub sogar 1:1. Das Gas wird von den Staubpartikeln unter anderem bei Erwärmung oder Kollisionen untereinander freigesetzt. Im Rahmen von Computersimulationen wiesen die beiden Forscher nach, dass die Staubpartikel mit dem Gas in Reibung treten, so dass hydrodynamische Effekte auftreten. Sie beeinflussen in erheblichem Maß die Struktur der Scheiben.

Die Simulationen zeigen, dass sich der Staub in gasreichen Scheiben häufig in schmalen exzentrischen Ringen anordnet. Das Gas bremst dabei die Staubpartikel ab, so dass sich Instabilitäten in den Scheiben ausbilden. Dabei sammelt sich der Staub in den lokalen Druckmaxima an. Ist die Staubscheibe für das Sternlicht relativ transparent, so wird das Gas vornehmlich durch die warmen Staubpartikel aufgeheizt. In diesem Fall wird eine solche Staubansammlung ein lokales Druckmaximum erzeugen, so dass sich der Staub noch weiter anhäuft. Das Resultat können wir dann in den Detailaufnahmen stellarer Staubscheiben als Klumpen in Ringen oder in Form von Spiralstrukturen und anderen Gebilden erkennen.

Tatsächlich zeigen diese Beobachtungen, dass die Staubscheiben eine Reihe von Asymmetrien aufweisen, die bislang gerne durch gerade entstehende oder schon vorhandene Planeten erklärt werden, die mit ihrer Schwerkraft das Material in den Scheiben störend beeinflussen. Die neuen Simulationen weisen nun aber darauf hin, dass solche Störungen nicht zwingend notwendig sind. Dies gilt besonders für den exzentrischen Staubring in der Scheibe um den Stern Fomalhaut, der sich nach Ansicht von Lyra und Kuchner nun auch ohne die Anwesenheit eines Planeten zwanglos erklären lässt.

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