"Das Weltraumteleskop James Webb beteiligt sich an der Jagd nach neugeborenen Exoplaneten
JWST entdeckte schnell Anzeichen eines sich bildenden Exoplaneten – aber nicht den, den Astronomen erwartet hatten.
Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) suchen Astronomen nach Planeten, die sich gerade um junge Sterne bilden. Das leistungsstarke Weltraumteleskop lieferte die Ware schnell, wenn auch auf unerwartete Weise.
Diese jungen Planeten nehmen Gestalt in wirbelnden Klumpen aus Gas und Staub an, die als protoplanetare Scheiben bezeichnet werden, und sammeln dabei immer mehr Masse an. Die Menschheit hat viele dieser protoplanetaren Scheiben abgebildet, doch Astronomen haben bisher nur wenige Male einen flüchtigen Blick auf die sich bildenden Planeten in ihnen geworfen.
Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Michigan, der University of Arizona und der University of Victoria die Leistungsfähigkeit der empfindlichen Infrarotinstrumente von JWST in dieses Unterfangen integriert. Das Team nutzte das große Zielfernrohr, um die protoplanetaren Scheiben HL Tau, SAO 206462 und MWC 758 zu beobachten und fügte Beobachtungen zu den vom Hubble-Weltraumteleskop und dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) gesammelten Daten hinzu, in der Hoffnung, die Entstehung eines Planeten zu entdecken.
Die Untersuchung enthüllte auch bisher nicht beobachtete Wechselwirkungen zwischen protoplanetaren Scheiben und den Gashüllen, die sich näher an den Sternen befinden, die im Herzen dieser Scheiben sitzen.
„Grundsätzlich haben wir in jeder Scheibe, die wir mit ausreichend hoher Auflösung und Empfindlichkeit beobachtet haben, große Strukturen wie Lücken, Ringe und, im Fall von SAO 206462, Spiralen gesehen“, sagte Teammitglied und Astronomin der University of Michigan Gabriele Cugno. „Die meisten, wenn nicht alle, dieser Strukturen können durch die Bildung von Planeten erklärt werden, die mit dem Scheibenmaterial interagieren, aber es gibt auch andere Erklärungen, die nicht auf die Anwesenheit von Riesenplaneten schließen.“
„Wenn es uns endlich gelingt, diese Planeten zu sehen, können wir einige der Strukturen mit sich bildenden Begleitern in Verbindung bringen und Entstehungsprozesse mit den Eigenschaften anderer Systeme in viel späteren Stadien in Verbindung bringen. Endlich können wir die Punkte verbinden und verstehen, wie sich Planeten und Planetensysteme insgesamt entwickeln.
Cugno leitete eine JWST-Untersuchung der protoplanetaren Scheibe um den Protostern SAO 206462. Ein Protostern ist ein Sternkörper, der noch nicht genug Masse angehäuft hat, um in seinem Kern die Fusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen, den Prozess, der einen Stern wie die Sonne definiert.
In der protoplanetaren Scheibe um SAO 206462 entdeckte das Team die Signale eines sich bildenden Planeten, allerdings mit einer Wendung: Es war nicht der Planet, den sie erwartet hatten.
„Mehrere Simulationen deuten darauf hin, dass sich der Planet innerhalb der Scheibe befinden sollte, massereich, groß, heiß und hell. Aber wir haben ihn nicht gefunden. Das bedeutet, dass der Planet entweder viel kälter ist als wir denken, oder dass er von irgendeiner Materie verdeckt sein könnte.“ Das hindert uns daran, es zu sehen“, fuhr Cugno fort. „Was wir gefunden haben, ist ein anderer Planetkandidat, aber wir können nicht mit hundertprozentiger Sicherheit sagen, ob es ein Planet oder ein schwacher Hintergrundstern oder eine schwache Galaxie ist, die unser Bild verunreinigt.“
„Zukünftige Beobachtungen werden uns helfen, genau zu verstehen, was wir sehen.“
Dies ist nicht das erste Mal, dass die Scheibe von SAO 206462 in den Fokus gerückt wird. Hubble, Alma und das Very Large Telescope (VLT) haben alle diese protoplanetare Scheibe untersucht. Diese Beobachtungen zeigten, dass sie aus zwei starken Spiralen besteht.
Diese Spiralen werden wahrscheinlich von einem sich bildenden Planeten erzeugt. Bevor das Team jedoch mit JWST nach diesem Planeten suchte, hatte es damit gerechnet, einen Gasriesenplaneten zu sehen, der größtenteils aus Helium besteht, wie Saturn oder Jupiter.
„Das Problem ist, dass alles, was wir zu entdecken versuchen, Hunderttausende, wenn nicht Millionen Mal schwächer leuchtet als ein Stern“, sagte Cugno. „Das ist, als würde man versuchen, eine kleine Glühbirne neben einem Leuchtturm zu entdecken.“
Mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) von JWST konnten Cugno und Kollegen tiefer in die Scheibe von SAO 206462 vordringen und die thermische Energie des Planeten erkennen, von der ein Teil freigesetzt wird, wenn Material mit hoher Geschwindigkeit auf ihn fällt.
„Wenn Material auf den Planeten fällt, erschüttert es die Oberfläche und gibt eine Emissionslinie bei bestimmten Wellenlängen ab“, sagte Cugno. „Wir verwenden eine Reihe von Schmalbandfiltern, um diese Ansammlung zu erkennen. Dies wurde bereits vom Boden aus bei optischen Wellenlängen durchgeführt, aber dies ist das erste Mal, dass dies mit JWST im Infrarotbereich durchgeführt wurde.“
Dies deutete darauf hin, dass der Planet vom zentralen Protostern etwa 300-mal so weit entfernt war wie die Entfernung zwischen Erde und Sonne. Gasriesen entstehen normalerweise viel näher an ihren Sternen, wobei einige dann nach außen wandern, nachdem sich die protoplanetare Scheibe aufgelöst hat.
Die NIRCam-Ergebnisse ergaben ein Objekt in der Scheibe mit einer Masse von mehr als dem 2,2-fachen der Masse des Jupiter. Cugno und Kollegen kamen zu dem Schluss, dass ein Gasriese, wenn er die sauberen Spiralen der protoplanetaren Scheibe von SAO 206462 herausarbeitet, dies nur tun kann, wenn er sehr kalt ist.
Der jüngste Stern hat das richtige Zeug zur Planetenentstehung
Während Cugno und Kollegen die Scheibe um SAO 206462 untersuchten, nutzte Camryn Mullin, Forscher an der University of Victoria, das JWST, um den Stern HL Tauri (HL Tau) zu untersuchen. Hierbei handelt es sich um einen "Säugling", der sich etwa 450 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet und auch von zahlreichen Teleskopen untersucht wurde.
Mit einem geschätzten Alter von nicht mehr als 1 Million Jahren (im Vergleich zu unserer 4,6 Milliarden Jahre alten Sonne mittleren Alters) ist HL Tau der jüngste Stern in der JWST-Untersuchung der protoplanetaren Scheibe.
„HL Tau ist das jüngste System in unserer Untersuchung und immer noch von einem dichten Zufluss aus Staub und Gas umgeben, der auf die Scheibe fällt“, sagte Mullin. „Wir waren erstaunt über die Detailgenauigkeit, mit der wir dieses umgebende Material mit JWST sehen konnten, aber leider verdeckt es alle Signale von potenziellen Planeten.“
Es ist bekannt, dass die Scheibe von HL Tau eine Reihe von Lücken und Ringen in der Größe des Sonnensystems aufweist, die Planeten beherbergen könnten. Doch aufgrund der Staubdichte der Scheibe und dem geringen Alter des Systems ist es unwahrscheinlich, dass selbst das JWST Planeten um HL Tau direkt sehen wird.
Die Jagd nach entstehenden Planeten geht weiter!
Kevin Wagner, ein NASA Hubble/Sagan Fellow am Steward Observatory der University of Arizona, untersuchte mit dem JWST die protoplanetare Scheibe von MWC 758. Dies ist eine weitere protoplanetare Scheibe mit Spiralarmen, die auf die Anwesenheit eines massereichen Planeten hinweisen könnte.
Dieser mögliche Planet und alle anderen tauchten in der Studie des Teams nicht auf, aber die Sensibilität und Leistung des JWST ermöglichten es ihnen, Beschränkungen für alle potenziell entstehenden Planeten innerhalb dieser protoplanetaren Scheibe festzulegen. Dazu gehörte auch der Ausschluss der Möglichkeit, dass sich Planeten am Rande der Scheibe befinden, weit entfernt vom Stern MWC 758.
„Das Fehlen von entdeckten Planeten in allen drei Systemen zeigt uns, dass die Planeten, die die Lücken und Spiralarme verursachen, entweder zu nahe an ihren Muttersternen sind oder zu schwach sind, um mit JWST gesehen zu werden“, sagte Wagner. „Wenn Letzteres zutrifft, sagt uns das, dass sie eine relativ geringe Masse haben, eine niedrige Temperatur haben, in Staub gehüllt sind oder eine Kombination aus diesen dreien – wie es wahrscheinlich bei MWC 758 der Fall ist.“
Untersuchungen wie diese zur Entstehung von Planeten um junge Sterne seien von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie Materialien in jungen Systemen verteilt sind und wie reife Ansammlungen wie das Sonnensystem entstanden sind, sagten Forscher.
„Nur etwa 15 % der Sterne wie die Sonne haben Planeten wie Jupiter. Es ist wirklich wichtig zu verstehen, wie sie entstehen und sich entwickeln, und unsere Theorien zu verfeinern“, sagte Teammitglied und Astronom von der University of Michigan, Michael Meyer. „Einige Astronomen glauben, dass diese Gasriesenplaneten die Wasserzufuhr zu Gesteinsplaneten regulieren, die sich im Inneren der Scheiben bilden.“
Daher könnte diese Untersuchung letztendlich von entscheidender Bedeutung sein, um zu verstehen, wie die Erde entstand und wie sie Leben ermöglichen konnte.
Die Forschung des Teams wird in drei Artikeln diskutiert, die letzte Woche im The Astronomical Journal veröffentlicht wurden."
JWST/NIRCam Imaging of Young Stellar Objects. III. Detailed Imaging of the Nebular Environment around the HL Tau Disk - IOPscience
