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Erstaunlich vielfältige Scheiben aus Gas und Staub

Mit einem Instrument am «Very Large Telescope» in Chile beobachteten Astronomen von ETH Zürich und PlanetS Scheiben aus Gas und Staub bei jungen sonnenähnlichen Sternen. Überraschenderweise sind die Scheiben sehr verschieden. So erstreckt sich die grösste fast zehnmal weiter ins All als die kleinste. Die Daten helfen, die Entstehung von Planeten besser zu verstehen.

Staubscheiben um Sterne, ähnlich der jungen Sonne. Die Scheibe um den Stern IM Lup (unten rechts) ist im Vergleich zu den anderen aussergewöhnlich gross. RXJ 1615 (unten links) belegt den zweiten Platz. Die meisten Scheiben haben Ringe. (Bilder: ESO/H. Avenhaus et al./E. Sissa et al./DARTT-S and SHINE collaborations)

Ein Instrument, das zum Teil an der ETH Zürich entwickelt und gebaut wurde, erweist sich als besonders erfolgreich bei der Erforschung neugeborener Sterne, die noch immer von Gas und Staub umgeben sind. Das Instrument heisst SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) und ist am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO installiert. Mit SPHERE konnten Astronomen der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg Bilder von Staubscheiben machen, welche die Geburtsstätten von Planeten sind. Diese protoplanetaren Scheiben existieren um sogenannte TTauri-Sterne – die Vorläufer unserer Sonne – sowie bei deren massereicheren Geschwistern, den Herbig-Ae/Be-Sternen. Bisher konzentrierten sich die Astronomen in ihren Studien vor allem auf Herbig-Ae/Be-Sterne, doch nun konnten Henning Avenhaus und Sascha Quanz mit Hilfe von SPHERE eine Reihe von TTauri-Scheiben beobachten. Das ehrgeizige Programm heisst DARTTS-S (Disks Around TTauri Stars with SPHERE) und wurde vom Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS unterstützt.

Die Resultate für die ersten acht Sterne wurden jetzt in der Zeitschrift «Astronomical Journal» veröffentlicht. «Wir konnten nicht nur alle acht Scheiben deutlich erkennen», fasst Henning Avenhaus zusammen, «sondern wir waren auch überrascht, wie unterschiedlich alle aussahen, vor allem in Bezug auf ihre Grösse.» Während einige Scheiben auf den Bildern nur einen Radius von 80 Astronomischen Einheiten haben (80 mal die Entfernung Sonne-Erde oder rund die doppelte durchschnittliche Distanz Sonne-Pluto), erstrecken sich andere über erstaunliche 700 AE. «Die meisten Scheiben weisen Ringe auf, ein Phänomen, das aus früheren Beobachtungen von Scheiben um massereichere Sterne bekannt ist», erklärt Sascha Quanz: «Keine von ihnen zeigte jedoch spiralförmige Strukturen, was bei Herbig-Scheiben regelmässig der Fall ist.» Die Astronomen wollen nun herausfinden, woher dieser Unterschied stammt und was er für die Planetenbildung um verschiedene Arten von Sternen bedeutet.

Der Südhimmel mit der Milchstrasse über dem Cerro Paranal in Chile, fotografiert von Henning Avenhaus während einer Pause in einer Beobachtungsnacht. (Bild: H. Avenhaus)

Beginn stand unter einem schlechten Stern

So erfolgreich das Projekt auch war, so schwierig erwies sich der Anfang. Henning Avenhaus erzählt: «Der erste Antrag für Beobachtungszeit (damals mit dem älteren NACO-Instrument) wurde bereits im März 2013 eingereicht und hoch eingestuft, doch unerwartete Wartungsarbeiten am Instrument machten es unmöglich, Daten zu nehmen.» Dasselbe geschah im September 2013. Auch damals war das Instrument nicht verfügbar. Beim dritten Versuch im März 2015 flog Henning Avenhaus zum Teleskop, nur um herauszufinden, dass beim Instrument in der Nacht vor Beobachtungsbeginn eine Fehlfunktion aufgetreten war. Allerdings hätten Wind und Wolken die Arbeit ohnehin verunmöglicht.

Zu diesem Zeitpunkt beschloss das Team, auf das neue Instrument – SPHERE – umzusteigen. Im März 2016 funktionierte es: Sowohl das Instrument als auch das Wetter verhielt sich anständig, wie sich Henning Avenhaus erinnert: «Ich war auf dem Cerro Paranal, dem Standort des Very Large Telescope, arbeitete die Nächte durch, um die Beobachtungen zu machen, und ging gelegentlich aus dem Kontrollraum auf die Teleskop-Plattform, wo ich den eindrücklichen Sternenhimmel bestaunen konnte.»

Die Daten von mehreren Beobachtungsnächten im März 2016 und 2017 waren qualitativ hervorragend. So wurden die Forscher mehr als fünf Jahre nach der ersten Idee mit Ergebnissen belohnt, die dazu beitragen werden, die Planetenentstehung besser zu verstehen. «Der hochwertige Datensatz beweist eindrücklich, wie leistungsfähig SPHERE für diese Beobachtungen ist», sagt Sascha Quanz: «Damit gibt es deutlich mehr Planeten-Geburtsstätten, die wir mit hoher Auflösung studieren konnten. Dies wird uns langfristig einen wichtigen statistischen Überblick über die Planetenbildung ermöglichen.» Dazu beitragen sollen weitere Resultate des DARTTS-S-Programms und ähnliche Beobachtungen mit dem Radioteleskop ALMA in Chile.

Dieses Bild des SPHERE-Instruments zeigt die Staubscheibe um den jungen Stern IM Lupi. (Bild: ESO/H. Avenhaus et al./DARTT-S collaboration)

Henning Avenhaus, et al.: «Disks around TTauri Stars with SPHERE (DARTTS-S) I: SPHERE/IRDIS Polarimetric Imaging of 8 Prominent TTauri Disks», AJ 2018
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1811/eso1811a.pdf

Ein wichtiger Meilenstein
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