Strukturen in Staub- und Gasgürteln junger Sterne

    Bislang unbekannte, für die Forschung spektakuläre Strukturen in Staub- und Gasgürteln junger Sterne geben vollkommen neue Einblicke in die Geburtsstätten von Planeten: Entdeckt wurden sie von einem internationalen Astronomenteam unter maßgeblicher Mitwirkung von Heidelberger Wissenschaftlern, das 20 dieser sogenannten protoplanetaren Scheiben im Zuge einer mehrmonatigen Beobachtungskampagne untersucht hat. Zum Einsatz kam dabei ein Teleskopverbund, das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA). „Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass Planeten viel schneller entstehen können als bislang angenommen“, betont Prof. Dr. Cornelis Dullemond vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH), der einer der Leiter der Kampagne ist.


    Über die Entstehung von Planeten und die damit verbundenen physikalischen Mechanismen ist bislang wenig bekannt. Bisherige Modelle besagen, dass Planeten über Millionen von Jahren durch die allmähliche Verdichtung von Staub und Gas in einer protoplanetaren Scheibe geboren werden – beginnend mit Staubkörnern, die sich zu immer größeren Gesteinsbrocken zusammenfügen. Im Rahmen der aktuellen Beobachtungskampagne des „Disk Substructures at High Angular Resolution Project“ (DSHARP) haben die Astronomen Staubpartikel untersucht, die auf natürliche Weise im Millimeterwellenlicht leuchten. Auf diese Weise konnte mithilfe von ALMA und seiner extrem scharfen Bilder die Dichteverteilung der kleinen, festen Partikel um junge Sterne präzise abgebildet werden.



    Zusammenstellung aller 20 protoplanetaren Scheiben, die mit ALMA in der DSHARP-Kampagne beobachtet wurden. Die Farben sind nicht echt und wurden ausgewählt, um die Details klarer darzustellen. Sie zeigen eine Vielzahl von Strukturen inklusive Ringen, Lücken und spiralförmigen Mustern in einer großen Anzahl von Entfernungen von ihren Heimatsternen, von wenigen Astronomischen Einheiten (AE) bis zu rund 100 AE, was mehr als das Dreifache der Entfernung des Neptun von unserer Sonne ist. Diese Strukturen bestehen aus Staubpartikeln, die in Millimeterwellenlängen leuchten. Es wird angenommen, dass sie die Merkmale von Planeten in der Phase ihrer Entstehung sind. Bild: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al.; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello


    Die überzeugendste Interpretation dieser Beobachtungen ist nach Angaben der beteiligten Forscher, dass sich große Planeten wie zum Beispiel Neptun oder Saturn viel schneller gebildet haben, als es die gegenwärtige Theorie voraussagt. Solche Planeten neigen offensichtlich auch dazu, sich in enormen Entfernungen von ihren Muttersternen zu entwickeln. „Wir sehen klar definierte Details bei jungen Sternen unterschiedlicher Massen, einschließlich markanter Ringe und Lücken, die in ganz verschiedenen Abständen von ihren Wirtssternen vorkommen. Sie sind offenbar ein Hinweis auf die Anwesenheit von Planeten“, erläutert Prof. Dullemond.


    Mithilfe der jüngsten Beobachtungen kann möglicherweise auch erklärt werden, wie sich erdähnliche Planeten bilden und wachsen können. So rätseln Astronomen seit Jahrzehnten über eine Unstimmigkeit in der Theorie der Planetenentstehung. „Wenn staubige Körper etwa die Größe von Murmeln erreichen, würde die Dynamik einer strukturlosen glatten protoplanetaren Scheibe dazu führen, dass diese irgendwann auf ihren Mutterstern fallen und niemals die für Planeten erforderlichen Masse erreichen können“, betont Cornelis Dullemond. Die ALMA-Bilder deuten jedoch darauf hin, dass diese „Murmeln“ in Ringen eingeschlossen sind. „Jeder dieser Ringe enthält viele Dutzend Erdmassen in Form dieses staubigen Materials. Sie sind die idealen Orte, an denen sich neue Planeten bilden können“, so der Heidelberger Astronom. „Die dichten Staubringe schaffen somit einen sicheren Hafen, in dem felsige Welten vollständig reifen können“.


    Weitere Infos auf den Seiten der Uni Heidelberg unter https://www.uni-heidelberg.de/…taetten-von-planeten.html

    Hallo Ralf,


    Die maximale Öffnung von ALMA ist 16km. Der Wellenlängenbereich, in dem ALMA arbeitet, ist 0,3-3mm. Daraus ergibt sich eine Maximalauflösung im Bereich von 10-100 Millibogensekunden. Also je nach Wellenlänge grob ca. 10-100mal feiner als auf unseren Amateuraufnahmen und in derselben Liga wie das Hubble-Weltraumteleskop.


    Für jede der Aufnahmen oben waren ziemlich sicher mehrere Stunden Beobachtungs- und Rechenzeit am ALMA nötig.


    Gruß,
    Martin

    Moinmoin,


    ich hab auch 2 Fragen:
    1. Sind die Staubscheiben Ansammlung von Jotwehdeh oder Ausstoss vom Stern bzw. von dem, was vor dem Entstehen des jungen Sterns mal dort war?
    2. Warum sammeln sich die Staubkörner in Scheiben and und nicht in Wolken rund herum um die Stern-Kugel?
    3. Warum zeigen sich klar abgegrenzte Zwischenräume in der Staub-Scheibe, wo dann nix [zu sehen] ist?
    4. Warum sind das "junge" Sterne? Gibt's gar keine Staubscheiben um alte Sterne mehr?


    Liebe Grüße
    Silver


    P.S. Dank an Caro für's Posten.

    Hallo Silver,
    <blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">ich hab auch 2 Fragen:<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">bin gerade so schön im Erklärmodus, aaalso:
    Die aktuelle Lehrmeinung zum Thema sieht ungefähr so aus (wenn ich irgendwo falsch liege, lasse ich mich sehr gerne korrigieren):


    Zuerst sind da große Gas- und Staubwolken im Weltraum. Bei den allerersten Sternen war es nur Gas, weil es noch keinen Staub gab. Der kam erst nach den ersten Supernova-Explosionen dazu, deshalb konnten sichvorher nur aus dem Gas noch keine Planeten bilden.
    Das Innere solcher Wolken ist erst mal sehr kalt, weil zumindest ein Teil der kurzwelligen Strahlung sie nicht durchdringen kann, sie aber selbst langwellige Strahlung abgeben.


    Wenn diese Wolken eine bestimmte Dichte erreichen, ziehen sie sich durch ihre eigene Schwerkraft weiter zusammen. Falls auch nur eine winzige Drehbewegung vorhanden war (also praktisch immer), bleibt diese erhalten und ein Teil der Wolke beginnt sich beim Zusammenziehen schneller zu drehen (siehe Eisläufer in der Pirouette beim Arme an den Körper ziehen).


    Je dichter die Wolke wird, um so mehr Reibung zwischen den Gas- undStaubteilchen entsteht. Die dabei entstehende Wärme wird teilweise abgestrahlt und die Wolke zieht sich weiter zusammen.


    Das Zusammenspiel von Drehbewegung, Reibung und Schwerkraft zwingt die Materie in eine Ebene, d.h. es entsteht eine verdichtete rotierende Scheibe innerhalb der Gas- und Staubwolke. Weitere Reibung und Abkühlung lenkt Material zum Zentrum der Scheibe, wo sich die Materie immer mehr bis zum Protostern verdichtet. Oberhalb einer bestimmten Dichte und Masse kann dort nicht mehr genug Wärme abgestrahlt werden, daher heizt sich das Material im Zentrum nun immer mehr auf.


    Innerhalb der Scheibe kommt es zu Zusammenlagerung von Molekülen zu Staubpartikeln und dann zu immer größeren Gebilden, bis schließlich Protoplaneten entstehen. Dieser Prozess ist noch weitgehend unverstanden, deshalb das große Interesse der Forscher.
    Vor ALMA waren diese Scheiben unsichtbar, weil sie tief im Inneren der Gas-und Staubwolken liegen und mit optischen Teleskopen unbeobachtbar sind.


    Was wir auf den obigen Bildern sehen, sind im sehr langwelligen Infrarot wärmestrahlende Partikel in Staubscheiben um Protosterne. d.h. bevor die Sterne ihre Kernfusion vollständig zünden.
    Sowie der Stern normal zu strahlen beginnt, wird das verbleibende Gas- und zumindest das feine Staubmaterial relativ schnell aus dem entstehenden Sonnensystem hinaus geblasen. Deshalb kann man um "ausgewachsene" Sterne solche Scheiben nicht finden.
    Diesen Vorgang kann man in vielen Sternentstehungsgebieten direkt beobachten.


    Gruß,
    Martin

    <blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">1. Sind die Staubscheiben Ansammlung von Jotwehdeh oder Ausstoss vom Stern bzw. von dem, was vor dem Entstehen des jungen Sterns mal dort war?
    2. Warum sammeln sich die Staubkörner in Scheiben and und nicht in Wolken rund herum um die Stern-Kugel?
    3. Warum zeigen sich klar abgegrenzte Zwischenräume in der Staub-Scheibe, wo dann nix [zu sehen] ist?
    4. Warum sind das "junge" Sterne? Gibt's gar keine Staubscheiben um alte Sterne mehr? <hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">



    zu 1)
    Alles chemischen Elemente jenseits von Wasserstoff und Helium wurden in Sternen bzw. bei Sternexplosionen (Novae, Supernovae) erbrütet.


    zu 2)
    Wenn eine Gas- und Staubwolke aufgrund ihrer Gravitation kollabiert, dann behält sie ihren ursprünglich in der Wolke vorhandenen Drehimpuls (Impulserhaltung). Der berechnet sich aus der Summe aller Einzelimpulse der einzelnen Partikel. Man kann ihn dann in zwei Größen aufteilen. Einmal ein Bewegungsvektor (vom Schwerpunkt der Wolke aus gesehen), mit dem die Wolke in der Milchstraße umherkreist und zweitens den Drehimpuls, der die Rotation der Wolke bestimmt.


    Wenn die Wolke kollabiert, wird's allgemein enger und dann 'reiben' die Partikel aneinander. Jeder Partikel, der nicht auf einer Kreisbahn in der Rotationsebene um den Schwerpunkt ist, stößt mit den anderen Partikeln dann solange zusammen, bis er auf diese Bahnebene in eine Kreisbahn zurecht geschubst worden ist. Die Reibung bewirkt einmal, dass die Partikel sich erwärmen und deshalb IR-Strahlung abgeben. Das Zusammenziehen der Wolke setzt Energie frei (Potenzial-Energie, wenn etwas auf das Massezentrum zufällt), die Energie wird über die Reibung als IR-Strahlung abgegeben. So entsteht im Zentrum eine neue Sonne und der Rest versammelt sich zunächst in einer Scheibe darum herum. Man nennt dies auch Akkretionsscheibe.


    zu 3)
    Der ganze Vorgang ist nie wirklich perfekt symmetrisch, denn die Wolke war es anfangs ja auch nicht. So kommt es, dass in der Scheibe sich Bereiche herausbilden, die dichter sind, wo parallel zur Sonnenentstehung im Zentrum ebenfalls Massen sich verdichten (im Wettlauf mit der zukünftigen Sonne im Zentrum). Wenn diese Planetenvorläufer in der Scheibe durch die Partikel 'pflügen' hinterlassen sie eine Lücke, denn alle Partikel werden entweder vom Vorläuferplaneten eingefangen oder per Swing-By-Manöver 'rausgeschmissen'. Im Grunde genau das gleiche Spiel wie bei den Saturnringen, wo es Monde sind, die die Lücken reißen.


    Dazu muss man wissen, dass aus einer großräumigen ursprünglichen Wolke meist viele Sonnensysteme, manchmal hunderte, fast gleichzeitig entstehen, wenn die Wolke durch irgendwelche Auslöser (Schockfronten galaktischen Ausmaßes, Störungen von außen) kollabiert und fragmentiert (in viele kleine Sternentstehungswolken zerfällt). Die Bilder von Alma zeigen jeweils durch die hohe Vergrößerung die Sternentstehung/Staubakkretionsscheibe einer 'neuen' Sonne. Mich erinnert das bildhaft an das große Sardinenfressen vor der Küste von Südafrika, wenn Delphine, Haie und die Wasservögel so einen großen Sardinenschwarm zerpflücken.


    zu 4)
    Wenn die Sonne eine Mindestmasse erreicht, dann zünden dort die ersten Kernreaktionen. Die Strahlung erzeugt dann einen Strahlungsdruck, der dann anfängt, den Gas- und Staubring außeinander zu pusten, wie ein Laubbläser. Spätestens dann müssen die Planeten und die Vorläuferbrocken (Planetesimale, Staubansammlungen/Agglomerationen) bereits weitgehend entstanden sein, denn je leichter die einzelnen Partikel sind, desto schneller werden sie dann hinweg gepustet (wir sehen das z.B. bei einem Kometenschweif, der genau deshalb immer von der Sonne weg zeigt).
    Die erdähnlichen Planeten entstehen dann aus Kollisionen der ganzen Vorläuferbrocken. Der größte Teil der Brocken stürzt dabei auf die Sonne selbst. Gasplaneten entstehen im Wettlauf mit der Sonne, sind quasi die Verlierer des Wettlaufs um die größte Gasanhäufung. ... the winner takes it all ...


    Das jetzt mal so die groben Züge. Viele Mechanismen sind noch nicht wirklich verstanden. Man denkt immer, dass vieles zufällig ist. Manche Zufälle sind aber regelrecht vorprogrammiert, ganz so, wie die Blechschäden auf einer großen Kreuzung vorprogrammiert sind, wenn alle Ampeln gleichzeitig zu Hauptverkehrszeit grün zeigen. Die Kunst bestünde dann darin, als einzelner Fahrer nicht in die Massenkarambolage verwickelt zu werden.


    ***


    Eine Lücke im genauen Verständnis besteht insbesondere beim 'Wachsen' der Staubpartikel. Anfangs sind es elektrostatische und chemische Prozesse (so wie die Einkaufstüte, die elektrisch aufgeladen zusammenklebt oder Dreck, der auf der Fensterscheibe klebt). Aber das reicht nur bis Murmelgröße, vielleicht etwas mehr. Die Schwerkraft allerdings hält einen Brocken erst zusammen, wenn er deutlich jenseits von 100 Meter Größe (und entsprechende Masse) angewachsen ist. Dazwischen muss es demnach noch weitere Faktoren geben. Vielleicht chemische, vielleicht kristallbildende oder Vereisung von Wasser (als 'Klebstoff') oder was auch immer. Die müssen in gewissen Situationen regelmäßig und nicht nur zufällig für das Größenwachstum den dominanten Einfluss haben, so dass aus Murmeln dann (immer auch mal) Berghaufen und andere größere Gebilde werden.

    Hallo Caro,


    vielen Dank, ich finde die Bilder, die Technik die sie ermöglichen und die Ergebnisse sehr beeindruckend.
    Sicher sind dies nur wenige und die besten "Aufnahmem", doch drängt sich immer die Frage auf, wo und in welcher Entfernung sich Planeten mit Leben, mit hochentwickelten Kulturen finden mögen.


    beste Grüße



    Thomas

    Hallo Thomas,


    Zumindest bei diesen Sternsystemen ist die Existenz von Lebensformen praktisch sicher auszuschließen[;)].


    Auf jeden Fall wird unser Verständnis der Planetenentstehung dank ALMA (und in Zukunft hoffentlich auch durch Daten vom EELT) stark zunehmen.
    Dadurch wird man gezielter Sternsysteme untersuchen können, die Planeten mit Leben enthalten könnten. Und ich hoffe, dass noch während meiner Lebensspanne vernünftige Abschätzungen zur Verbreitung von Leben in unserer Galaxie möglich werden (vernünftig=weniger als Faktor 10 daneben liegend).


    Gruß,
    Martin

    Was mich mehr interessieren würde als Lebensformen, wären Bewusstseinsformen. Wir koppeln das natürlich aneinander und reihen es logisch zeitlich hintereinander folgend ein. Evolutions(bio)logisch gesehen erscheint das auch sinnvoll, aber ausschließen, dass es Bewusstsein auch auf uns unbekannte Weise geben könnte, wollte ich es eigentlich nicht. Philosophisch gesehen, nicht wissenschaftlich - so man das trennen möchte.


    Wir denken, dass nur das Bewusstsein hat, was herumrennt und einen Stoffwechsel hat - und zumindest ein kleines Gehirn hat. Das alles, was sich nicht selbst im Spiegel erkennt ein wenig dümmlich sein muss. Wir reden bei unserem Spiegelexperiment schlicht von einem Photonenreflektor, von etwas, das sehr an unsere eigene Umwelt (und unser Verständnis davon) und unseren Frequenzbereich angepasst ist. Wer weiß, auf welche Weise sich Erkenntnisse im Universum gewinnen lassen - vielleicht auch auf solchen Planeten, die für uns "lebensfeindlich" sind. ;)


    Nur so als Zwischengedanke.


    lg
    Niki

    Nunja Niki,
    fang einfach bei chemischen Prozessen an, die auf organischer Chemie (Kohlenstoffchemie) basieren ... Man könnte in der Spalte der chemischen Elemente unterhalb von Kohlenstoff auch noch Silizium als Basis heran ziehen, nur laufen die Prozesse dann min. um den Faktor 10 langsamer ab. Ohne diese organische Chemie ist kein biologisches Leben vorstellbar.


    Für mich fängt "Leben" im biologischen Sinne da an, wo Fortpflanzung (Zellteilung etc.) und Stoffwechsel auftritt. Man könnte mit unserem derzeitigen Wissen auch definieren: Wo chemische Prozesse in irgendeiner Art "gesteuert" ablaufen, welche über Zufallsbedingungen hinaus gehen. Stoffwechsel ist Voraussetzung für jedes Leben und Bewusstsein. Nicht vergessen: "Denken" verbraucht Energie, die ein Stoffwechsel erst bereitstellen muss.

    Ist das spannend. Danke Martin und Kalle. Nach dem kurzen "Anverdauen" von Martins Posting (also nach dem Lesen kurz sinnieren), begann ich Kalles zu lesen und die Wiederholung in anderen Worten und mit anderen Beispielen illustriert, konnte dann Puzzelstücke aus Martins Worten noch mal anstupsen und in ein Bild einfügen.
    Sehr hilfreich, 2 solch detaillierte Antworten zu bekommen (die sich nicht widersprechen*biggrin* ). Super!

    Niki (und Kalle),
    fast alle Religionen haben ein Gottbild. Nur Buddhisten glaubich nicht. Und einige davon sind rein geistig, unkörperlich. Soll sagen: die Idee, dass Bewusstsein ohne Stoffkörper existiert, ist so alt wie Abraham, also 8000 Jahre, oder noch älter.
    Ich hatte mal die belletristische Idee, es könnte ja auch sein, dass unser Universum ein Teil des Verdauungstrakts eines größeren Wesens ist. ^^
    Angeregt davon, wie früher mal Leibniz' Gottesbeweise ins Lächerliche gezogen wurden durch den "Monolog einer Milbe im siebten Stock eines Edamer Käses", die die Qualität des Käses als "den besten aller möglichen Käse" lobt. Aber der KäseR meint, sein Edamer wär versalzen.


    Noch zu den Ringen: hab die Saturnfolge von "Understanding the Universe - An Introduction to Astronomy, 2nd Edition (25-48 of 96) - Alex Filippenko" angeguckt. Leider von 2007, also schon veraltet. Aber der Mond Pan kam bereits drin vor, der IM Encke Gap lebt und dort sein Unwesen treibt, i.e. sich den Weg von Partikeln freisprengt und sogar Wellen hinterlässt in den ringlets direkt an seiner Autobahn entlang.


    Alles noch viel spannender als ich gedacht hab: man weiss noch viel weniger als ich angenommen hatte, sogar von so nahen Objekten wie dem Saturn und seinen Ringen. Klasse! Das lädt mich ein zu allen möglichen Spekulationen.

    Hallo Kalle,


    Du sagst: "Stoffwechsel ist Voraussetzung für jedes Leben und Bewusstsein. Nicht vergessen: "Denken" verbraucht Energie, die ein Stoffwechsel erst bereitstellen muss."


    Tja, vermutlich könnte das sehr wohl so sein. Möglicherweise wissen wir das aber nicht so genau. Es ist natürlich nicht wissenschaftlich, eine These aufzustellen, die nicht überprüfbar und falsifizierbar ist, ich weiß... aber wenn man wüsste, wie Bewusstsein entsteht, könnte man besser darüber reden. Offenbar entsteht Bewusstsein in (neuronalen) Netzwerken, die irgendwann einen Teil ihrer Leistung zur Selbstbeobachtung einsetzen und dadurch den Fluss der Wirklichkeit (also die Summe der Interpretation der eingehenden und verarbeiteten Daten) mitstenografieren. Ob andere Energieflüsse in großen Systemen ähnliche Muster erzeugen können, weiß ich nicht, es ist wahrscheinlich unwahrscheinlich ;) aber eventuell nicht unmöglich.


    Die Überlegung, ob das Universum ein Bewusstsein hat, oder nur Teile wie lebendige Menschen und Tiere, ist ebenso alt, wie kosmologisch/philosophisch jung. Auch in jüngerer Zeit wurde darüber Nachgedacht, ob große Systeme wie Meere oder Planeten oder der Kosmos an sich eine Art von Selbstauffassung erfahren könnten. Klingt absurd, aber auch weise Leute haben darüber nachgedacht. Kosmologisch also interessant, auch im Zusammenhang unseres Lernens über die Entstehung ("Geburt") von Sonnensystemen, Planeten... da verwenden wir ja fast auch das Vokabular des "Lebens", wenn wir "Geburt" sagen oder bei der Nova "Tod" eines Sterns... semantisch nehmen wir es also nicht so genau, aber vielleicht sehen wir in allen Vorgängen Zyklen des "Lebens", so auch bei Vorgängen im Universum... Geburt von Universen, Multiversen, Sternen, Planeten, Singularitäten... und den Tod all dieser Dinge, das vergehen, und dass aus dem Sternenstaub "neues Leben", und "neue Elemente" geboren werden, die wiederum neue Welten schaffen und letztlich auch uns.


    Ohne all diese Fragen hätte ich vermutlich kein Teleskop. So, wie ein anderer seinen Meditationsteppich auslegt, stell ich meine Montierung auf. Danach geschieht dasselbe in anderer Form, denke ich. ;)


    Nun, ich komm hier off topic, aber ich wollte ein wenig Unruhe in die Klassifizierung bringen, dass es so einfach sei, Planeten zu schubladisieren, auf denen Leben möglich sei und solche, wo es nicht möglich sei. Denn Leben allein ist vielleicht nicht der einzig interessante Faktor der Kosmologie, wenn es um Bewusstsein geht. Wir setzen Leben bislang voraus, um zu Bewusstsein zu gelangen, aber vielleicht ist - ein wenig nach Rupert Sheldrakes Ansatz der morphogenetischen Felder ("die Idee ist vor dem Inhalt da") die so ganz seltsam unserer aktuellen Logik anmuten muss, im Fall des Kosmos zu sagen: vielleicht ist Bewusstsein auch auf anderen Ebenen möglich, als in der uns bekannten, lebendigen Form.


    Und ja, das liegt auch heute an der Grenze zur Esoterik, da die Naturwissenschaft keine Möglichkeit hat, ins Feld zu gehen und empirisch etwas Vernünftiges dazu zu ermitteln... wir können die Erde ja schlecht fragen, wie und ob sie sich empfindet. (Vielleicht könnte sie Mr. Trump aber dann eventuell mitteilen, dass doch der Mensch an ihrem Klima kratzt, und nicht nur eine übliche Infektion, die alle paar tausend Jahre halt so aufkommt... wie der Herr Präsident achselzuckend vermuten lässt...). Nun, das war jetzt völlig off topic. Zum Jahresausklang möge man mir das kurz verzeihen.


    lg
    Niki

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