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Protoplanetare Scheiben: Wie Scheiben sich gegenseitig füttern

Ein junges Mehrfachsternsystem zeigt, wie Material von großen – das ganze System umschließenden – Scheiben auf ihre kleineren Gegenstücke um die Einzelsterne überfließt. Der Nachschub stabilisiert damit die inneren Scheiben und könnte so die Entstehung von Planeten in ihnen ermöglichen.
Scheiben bei GG Tau A

Mit dem Radioobservatorium ALMA in Chile beobachteten Astronomen um Anne Dutrey von der Université de Bordeaux das junge Sternsystem GG Tau A. Das so genannte hierarchische Tripel befindet sich in einer Entfernung von rund 450 Lichtjahren in einer molekularen Wolke im Sternbild Stier. Es besteht aus dem Einzelstern GG Tau Aa und dem Doppelstern GG Tau Ab, die durch einen am Himmel projizierten Abstand von rund 35 Astronomischen Einheiten voneinander getrennt sind. Die einzelnen Komponenten des Doppelsterns umkreisen sich in einer Entfernung von rund 4,5 Astronomischen Einheiten. Eine große gemeinsame Scheibe aus Gas und Staub umschließt das Dreifachsystem, doch besitzt zumindest der Einzelstern Aa eine eigene Scheibe, die auf den Aufnahmen deutlich zu erkennen ist. Das Forscherteam zeigte nun, dass ein Materieaustausch zwischen den Scheiben des Systems stattfindet und vermutlich die zirkumstellare Scheibe um Aa gegen Massenverlust stabilisiert.

GG Tau A weist ein Alter von nur wenigen Millionen Jahren auf und befindet sich damit in seiner Planetenentstehungsphase. Wie Beobachtungen zeigen, sammelte sich das Material, das beim Kollaps der kalten molekularen Wolke übrig blieb, in Form von Akkretionsscheiben um das Gesamtsystem und um den Einzelstern. Es gibt auch Hinweise für Staubansammlungen um den Doppelstern. In den Scheiben können Staubkörner zu größeren Gebilden anwachsen und im Verlauf der Zeit auch große Körper ausbilden. Dieser Prozess ist bereits bei Einzelsternen noch nicht im Detail verstanden und erweist sich in Mehrfachsystemen als vielfach komplexer. Dabei entstanden rund die Hälfte der sonnenähnlichen Sterne der Milchstraße in Mehrfachsystemen, weswegen die Frage nach der Planetenentstehung in diesen Fällen kein Randthema, sondern ein wichtiges Forschungsgebiet ist.

ALMA-Bilder von GG Tau A
ALMA-Bilder von GG Tau A | Die Aufnahmen mit ALMA zeigen die Staub- und Gasverteilungen in dem Mehrfachsystem GG Tau A. Der äußere Ring, der durch die Wärmestrahlung des Staubs nachgewiesen wurde, ist auf Bild c) farblich und in den Bildern a) und b) in Form von Profillinien dargestellt. Im Zentrum befinden sich der Einzelstern GG Tau Aa (untere Kreuze) und der Doppelstern GG Tau Ab (obere Kreuze). Die Verteilung des Kohlenmonoxid-Gases ist in Abbildung a) farblich illustriert. In b) ist seine Bewegung hervorgehoben. Blau entspricht einer Bewegung auf den Beobachter zu und Rot einer vom Beobachter weg.

Mit Hilfe der ALMA-Antennen gelang es den Forschern bei ihren Beobachtungen, eine Auflösung von rund einer viertel Bogensekunde zu erreichen. In der Entfernung der Sterne entspricht das rund 35 Astronomischen Einheiten. In den Aufnahmen verraten sich die Scheiben durch die Wärmestrahlung des Staubs. Die gemeinsame zirkumbinäre Scheibe weist eine Gesamtmasse von rund 0,15 Sonnenmassen auf und besteht aus zwei Komponenten: einem Ring, der sich bei Abständen zwischen 190 und 280 Astronomischen Einheiten zum Massenzentrum ausbildete, und einer äußeren Scheibenkomponente, die sich bis zu einer Entfernung von rund 800 Astronomischen Einheiten ausdehnt. Auch die innere Scheibe um GG Tau Aa ließ sich auf den ALMA-Bildern ausmachen. Ihren Durchmesser schätzen die Forscher auf mindestens sieben Astronomische Einheiten und die Masse auf rund eine Jupitermasse.

Im Raum zwischen den beiden Scheiben ließ sich keine Wärmestrahlung nachweisen, jedoch ist diese Lücke nicht leer. Die Emission bei speziellen Wellenlängen belegte, dass sich dort eine nicht unerhebliche Menge von Kohlenmonoxid-Gas befindet. Es ist nicht gleichmäßig verteilt, und Dopplerverschiebungen der Spektrallinie legen eine Rotation um das Sternsystem nahe. Am äußeren Rand, wo sich das Gas an den Ring der äußeren Scheibe anschließt, entsprechen die gemessenen Rotationsgeschwindigkeiten denen, wie sie durch die Keplergesetze zu erwarten sind. Weiter innen jedoch bricht die Bewegung in ihrer Struktur zusammen. Dort – bei kleinen Abständen zum Zentrum des Systems – spielen die Schwerefelder der einzelnen Komponenten eine größere Rolle und leiten den Materieeinfall in ihre unmittelbaren Umgebungen ein.

Des Weiteren zeigte sich in einzelnen Regionen in der Nähe der Sterne eine höhere Strahlungsintensität. Dort vermuten Astronomen wegen früherer Beobachtungen im nahen Infrarot angeregtes und verhältnismäßig warmes Wasserstoffgas. Diese Gebiete könnten die Schnittstellen zwischen dem einfallenden Gas und dem die Sterne umgebenden Material sein. Die Forscher kalkulierten, dass die innere Scheibe wegen der Akkretion auf den Stern pro Jahr rund ein halbes Prozent der Sonnenmasse verliert. Damit musste bereits in der Vergangenheit ein Materieeinfall, wie er jetzt belegt werden konnte, stattgefunden haben. Dieser Strom von Außen nach Innen ist in der Lage, genug Materie nachzuliefern, so dass die Scheibenstruktur aufrechterhalten werden kann. Ein solcher Mechanismus wäre für die Entstehung von sternnahen Planeten in Mehrfachsystemen förderlich und könnte auch in anderen Systemen von Bedeutung sein.

44. KW 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 44. KW 2014

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  • Quellen
Dutrey, A. et al., Nature, 30. Oktober 2014

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