Neue Webb-Beobachtungen zeigen bis zu 30 Millionen Jahre alte Planetenscheiben

Sterne, die viel kleiner als die Sonne sind, können viel mehr Planeten bilden. Ihre protoplanetaren Scheiben, in denen sich Planeten bilden, halten länger als die von sonnenähnlichen Sternen, was die Wahrscheinlichkeit der Planetenbildung erhöht.

Die Entstehung von Planeten ist eine Art Wettlauf mit der Zeit. Exoplaneten, sowohl gasförmige als auch felsige, brauchen durchschnittlich 10 Millionen Jahre, um sich nach der Geburt ihres Wirtssterns zu bilden. Nach diesen 10 Millionen Jahren ist ihre Entstehung nicht mehr möglich.

Jüngste Beobachtungen zeigen überraschenderweise, dass Planeten bei massearmen Sternen (Sterne, die viel kleiner als die Sonne sind) einen "Bonus" in dem Sinne erhalten, dass sie bis zu 30 Millionen Jahre Zeit für ihre Entstehung haben.

Warum gibt es diese Besonderheit, die die Bildung von extrasolaren Planeten um weniger massereiche Sterne begünstigt, während die gleiche Regel für massereichere Sterne nicht gilt? Um dies zu verstehen, sollten wir uns zunächst ansehen, wo die Planetenbildung stattfindet.

Wo Planeten entstehen

Sehr junge Sterne zeichnen sich durch das Vorhandensein einer Scheibe aus (wie in den folgenden Abbildungen gezeigt), die ziemlich abgeflacht ist und aus Staub und Gas besteht. Dabei handelt es sich um den Staub- und Gasüberrest des Fragments der Molekülwolke, aus der der Stern nach dem Gravitationskollaps entstanden ist.

Während einer gewissen Zeit nach der Geburt des Sterns fallen Gas und Staub in dieser Scheibe weiter auf den Stern und erhöhen so seine Masse. Aus diesem Grund wird die Scheibe als "Akkretionsscheibe" bezeichnet.

Genau in der Akkretionsscheibe bilden sich die Planeten aus Gas und Staub. In diesem Sinne wird die Scheibe auch als "protoplanetare Scheibe" bezeichnet. Allerdings ist die Lebensdauer der Scheibe im Vergleich zu den Milliarden von Jahren eines Sterns sehr kurz, im Allgemeinen nicht mehr als 10 Millionen Jahre. Aber warum halten protoplanetare Scheiben so wenig?

Ein Wettlauf mit der Zeit

Die vom Stern ausgesandte energiereiche Strahlung, aber auch der Sternwind aus elektrischen Teilchen, der vom Stern selbst getragen wird, bewirkt, dass das in der Scheibe vorhandene Gas verdampft und auch der Staub verstreut wird.

Im Laufe der Zeit verarmt die Scheibe durch diese Strahlung desselben Sterns immer mehr an Gas und Staub, d. h. an den Grundvoraussetzungen für die Planetenbildung.

ALMA image of the star PDS 70 and the remnant of its protoplanetary disk. Between the star and the disk (on the left), you can see the planet that was forming from the gas and dust in the disk, creating the gap, the empty region between the disk and the star. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Es wurde beobachtet, dass sich die Scheiben im Durchschnitt alle 10 Millionen Jahre seit der Geburt des Sterns auflösen. Die neue Entwicklung, die dieses Szenario etwas verändert, sind die jüngsten Beobachtungen eines 30 Millionen Jahre alten Sterns, dessen Scheibe immer noch reich an Gas und Staub ist, die in ausreichenden Mengen zur Bildung von Planeten zur Verfügung stehen.

Warum manche protoplanetaren Scheiben länger leben

Der betreffende Stern trägt die Bezeichnung WISE J044634.16-262756.1B und kann in Richtung des Sternbilds Columba beobachtet werden. Die reiche Scheibe dieses Sterns wurde von einem Team von Astronomen der Universität von Arizona entdeckt. Sie veröffentlichten die Ergebnisse ihrer Forschung in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters, an der der Astronom Feng Long mitwirkte .

Dieser "Bonus" von weiteren 20 Millionen Jahren, zusätzlich zu den 10 Millionen Jahren für alle anderen Sterne, scheint auf die geringe Masse des Sterns zurückzuführen zu sein. Es wird vermutet, dass die Bestrahlung der protostellaren Scheibe durch massearme Sterne, also durch Sterne mit einer viel geringeren Oberflächentemperatur als die der Sonne, das Gas der Scheibe nicht wirksam verdampfen kann.

Bild der protostellaren Scheibe des Sterns TW Hydrae mit Hervorhebung der Position, an der sich ein Planet bildet. Kredit: ALMA

Darüber hinaus haben Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop ergeben, dass die chemische Zusammensetzung der Scheibe über 30 Millionen Jahre hinweg praktisch unverändert geblieben ist, so dass die gleichen günstigen Bedingungen für die Planetenbildung gegeben sind. Diese Studie zeigt, dass massearme Sterne ihren Planeten eine mindestens dreimal so lange Entstehungszeit ermöglichen.

Dieser Umstand hat auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Architektur des Planetensystems und damit auf die Verteilung der Abstände der Planeten zum Zentralstern, die sich bei kleinen Sternen von denen mit großer Masse unterscheiden. Der Prozess der Planetenwanderung, bei dem sich die Planeten im Laufe der Zeit von der Position, in der sie entstanden sind, entfernen, ist gut bekannt.

Damit die Wanderung stattfinden kann, ist das Vorhandensein von Gas erforderlich. Daher sorgen massearme Sternscheiben dafür, dass diese Migration über einen längeren Zeitraum hinweg stattfinden und abgeschlossen werden kann.