Künstlerische Darstellung einer planetenbildenden Scheibe um einen jungen Stern. (MPIA-Grafikabteilung) Ist unser Sonnensystem mit anderen Sonnensystemen vergleichbar? Wie sehen andere Systeme aus? Aus Exoplanetenstudien wissen wir, dass viele andere Systeme heiße Jupiter haben, massive Gasriesen, die ihre Sterne extrem nahe umkreisen. Ist das normal und unser Sonnensystem ist der Ausreißer?
Eine Möglichkeit, diese Fragen zu beantworten, besteht darin, die Planeten bildenden Scheiben um junge Sterne zu untersuchen, um zu sehen, wie sie sich entwickeln.
Doch die Untersuchung einer großen Stichprobe dieser Systeme ist die einzige Möglichkeit, eine Antwort zu erhalten.
Das hat eine Gruppe von Astronomen getan, als sie 873 protoplanetare Scheiben untersuchten.
Die Masse ist der entscheidende Faktor in einer neuen Studie über planetenbildende Scheiben. Die Masse der Scheibe bestimmt, wie viel Materie zur Bildung von Planeten zur Verfügung steht.
Durch die Messung der Masse der Scheiben um junge Sterne können Astronomen die Gesamtmasse der Planeten begrenzen, die sich dort bilden könnten, und dem Verständnis der Architektur des Sonnensystems einen Schritt näher kommen.
Die neue Studie ist „ Untersuchung von Orion-Scheiben mit ALMA (SODA): I. Demografische Daten auf Wolkenebene von 873 protoplanetaren Scheiben. ' Es ist in der Zeitschrift veröffentlicht Astronomie und Astrophysik , und der Hauptautor ist Sierk van Terwisga, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Deutschland.
„Bisher wussten wir nicht genau, welche Eigenschaften die Entwicklung von Planeten bildenden Scheiben um junge Sterne dominieren“, sagt van Terwisga sagte in einer Pressemitteilung.
„Unsere neuen Ergebnisse deuten nun darauf hin, dass in Umgebungen ohne relevanten äußeren Einfluss die beobachtete Scheibenmasse, die für die Bildung neuer Planeten zur Verfügung steht, nur vom Alter des Stern-Scheiben-Systems abhängt.“
Die Staubmasse verrät Astronomen nicht nur die Masse der Planeten, die sich aus einer Scheibe bilden könnten. Abhängig vom Alter der Scheibe könnte sie den Astronomen auch Aufschluss darüber geben, welche Planeten sich bereits gebildet haben.
Aber auch andere Faktoren wirken sich auf die Festplattenmasse aus, und diese Faktoren variieren von Festplatte zu Festplatte. Auch Dinge wie Sternwind und Strahlung von nahegelegenen Sternen außerhalb der Scheibe können die Masse beeinflussen.
Wie konnten die Forscher diese Effekte in einer so großen Stichprobe isolieren?
Sie konzentrierten sich auf eine bekannte Region protoplanetarer Scheiben namens Orion Eine Wolke , das Teil des Orion Molecular Cloud Complex (OMCC) ist.
Das OMCC ist etwa 1350 Lichtjahre entfernt und beherbergt den gut untersuchten Orionnebel, ein Merkmal, das selbst Hinterhofastronomen erkennen kann.
(S.E. van Terwisga et al./MPIA)
Über: Dieses Bild zeigt die riesige Sternentstehungswolke Orion A, wie sie vom SPIRE-Instrument (Spectral and Photometric Imaging Receiver) an Bord des Herschel-Weltraumteleskops beobachtet wurde. Es zeichnet die großräumige Verteilung von kaltem Staub nach. Orion A ist etwa 1350 Lichtjahre entfernt und besteht aus einzelnen Sternentstehungsregionen, wie durch ihre Beschriftung angegeben. Die Standorte der mit ALMA beobachteten Planeten bildenden Scheiben (+) sind angegeben, während Scheiben mit Staubmassen über dem Äquivalent von 100 Erdmassen als blaue Punkte erscheinen.
Álvaro Hacar ist Mitautor der Studie und Wissenschaftler an der Universität Wien, Österreich. „Orion A lieferte uns eine beispiellos große Probengröße von mehr als 870 Scheiben um junge Sterne“, sagte Hacar sagte . „Es war von entscheidender Bedeutung, nach kleinen Schwankungen in der Festplattenmasse suchen zu können, die vom Alter und sogar von den lokalen Umgebungen innerhalb der Wolke abhängen.“
Dies ist ein gutes Beispiel, da alle Festplatten zur selben Cloud gehören. Das bedeutet, dass ihre Chemie einheitlich ist und sie alle die gleiche Geschichte haben.
Der nahegelegene Orion-Nebelsternhaufen (ONC) beherbergt einige massereiche Sterne, die andere Scheiben beeinflussen könnten, daher lehnte das Team alle Scheiben in Orion A ab, die näher als 13 Lichtjahre vom ONC entfernt sind.
Es war schwierig, die Masse all dieser Scheiben zu messen. Das Team nutzte das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), um den Staub zu beobachten. ALMA kann auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden, daher beobachtete das Team die jungen Scheiben bei einer Wellenlänge von 1,2 mm.
Bei dieser Wellenlänge ist der Staub hell, aber der Stern ist dunkel, was dazu beiträgt, den Effekt des Sterns in jeder Scheibe zu eliminieren. Da die Beobachtung bei 1,2 Millimetern die Beobachtungen unempfindlich gegenüber Objekten macht, die größer als einige Millimeter sind – zum Beispiel bereits entstandene Planeten –, hat das Team bei seinen Messungen nur Staub gemessen, der für die Bildung neuer Planeten zur Verfügung steht.
Die Messung von Staub ohne Störungen durch Sterne war eine Hürde, aber die Forscher standen vor einer anderen: Daten.
Eine detaillierte Untersuchung von fast 900 protoplanetaren Scheiben erzeugt eine Menge Daten, und alle diese Daten müssen verarbeitet werden, bevor sie eine kollektive Bedeutung haben. Hätte sich das Team auf bestehende Methoden verlassen, hätte die Verarbeitung aller Daten etwa sechs Monate gedauert.
Stattdessen entwickelten sie eine eigene Methode zum Umgang mit den Daten Parallelverarbeitung . Was Monate gedauert hätte, dauerte weniger als einen Tag. „Unser neuer Ansatz verbesserte die Verarbeitungsgeschwindigkeit um den Faktor 900“, Co-Autor Raymond Oonk sagte .
Bei der Verarbeitung der Daten stellten die Forscher fest, dass die meisten Scheiben nur 2,2 Erdmassen Staub enthielten. Nur 20 der fast 900 Scheiben enthielten genug Staub für 100 oder mehr Erden.
„Um nach Variationen zu suchen, haben wir die Orion-A-Wolke seziert und diese Regionen separat analysiert.“ „Dank der Hunderten von Scheiben waren die Teilproben immer noch groß genug, um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu liefern“, sagt van Terwisga erklärt .
Die Forscher stellten in verschiedenen Regionen von Orion A eine gewisse Variabilität der Scheibenstaubmasse fest, die Schwankungen waren jedoch minimal. Laut den Autoren kann der Alterseffekt für die Unterschiede verantwortlich sein. Mit zunehmendem Alter der Scheiben nimmt die Scheibenmasse ab, und gleichaltrige Scheibencluster weisen die gleiche Massenverteilung auf.
„Wir müssen betonen, dass die Unterschiede zwischen diesen Clustern, die weit voneinander entfernt am Himmel liegen, gering und im Vergleich zueinander und zum Feld selbst in den extremsten Fällen nicht sehr signifikant sind“, so die Autoren schreiben Sie in ihre Arbeit .
(Van Terwisga et al., Astronomie und Astrophysik, 2022)
Über: Diese Abbildung zeigt die sechs Cluster mit geringer Masse und geringer Dichte YSOs in der Studie. Trotz ihrer weiten Verbreitung in Orion A zeigen die Scheiben die gleiche Masse-Alter-Korrelation.
Es wird erwartet, dass mit zunehmendem Alter der Scheiben ihre Staubmasse abnimmt. Der größte Teil dieses Rückgangs ist auf die Planetenbildung zurückzuführen: Was einst Staub war, wird zu Planeten.
Aber auch andere Effekte tragen zum Staubverlust bei. Staub kann in Richtung der Scheibenmitte wandern, und die Strahlung des Muttersterns kann den Staub verdampfen lassen.
Diese Studie verstärkt jedoch den Zusammenhang zwischen Alter und Staubverlust.
Können die Ergebnisse dieser Studie auf andere junge Sternscheibenpopulationen übertragen werden? Die Autoren verglichen ihre Ergebnisse von Orion A mit mehreren benachbarten Sternentstehungsregionen mit jungen Scheiben.
Die meisten davon, aber nicht alle, passen zum altersbedingten Massenverlust, der bei Orion A beobachtet wurde.
„Insgesamt glauben wir, dass unsere Studie beweist, dass zumindest innerhalb der nächsten etwa 1000 Lichtjahre alle Populationen von Planeten bildenden Scheiben in einem bestimmten Alter die gleiche Massenverteilung aufweisen.“ Und sie scheinen sich mehr oder weniger auf die gleiche Weise zu entwickeln“, so van Terwisga sagte .
Die Forscher haben noch mehr Arbeit vor sich, die sie gerne erledigen würden. Sie werden den Effekt untersuchen, den kleinere Sterne auf einer kleineren Skala von einigen Lichtjahren haben können.
In dieser Studie haben sie die Auswirkungen vermieden, die massereiche Sterne im ONC auf benachbarte Scheiben haben können. Aber kleinere Hintergrundsterne könnten sich immer noch auf die Scheiben auswirken und einige der kleinen Variationen in der Korrelation zwischen Alter und Masse erklären.
Das Alter des Sterns und seiner Scheibe, die chemischen Eigenschaften und die Dynamik der Mutterwolke ergeben zusammen mit der Masse ein klareres Bild des Sonnensystems, das aus der Scheibe entsteht. Astronomen sind nicht in der Lage, Daten wie diese zu nutzen und vorherzusagen, welche Art von Planeten sich in einem bestimmten Sonnensystem bilden könnten.
Aber es ist bemerkenswert, dass die Korrelation zwischen dem Alter der Scheibe und der Masse der Scheibe stark ist, selbst bei großen Strukturen wie Orion A.
„Die bemerkenswert homogenen Eigenschaften gleichaltriger Scheibenproben sind ein überraschender Befund“, so die Autoren daraus schließen , und ihre Ergebnisse bestätigen, was frühere Studien und Umfragen angedeutet haben.
„Jetzt können wir jedoch zeigen, dass dies für eine größere Anzahl von YSOs und YSO-Clustern gilt, die sich in gut getrennten Teilen derselben Riesenwolke bilden.“ „Zum ersten Mal ermöglicht uns die beispiellose Größe der SODA-Scheibenprobe (Survey of Orion Disks with Alma), die Auswirkungen von Altersgradienten und Clusterbildung in einer einzelnen Sternentstehungsregion näher zu untersuchen.“
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lies das originaler Artikel .