Astronomen erwischen stellaren „Eindringling“ auf frischer Tat – Chaotische Ströme aus Staub und Gas

Wissenschaftler, die das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) machten eine seltene Entdeckung eines wahrscheinlichen stellaren Vorbeiflugereignisses im Sternensystem Z Canis Majoris (Z CMa). Ein nicht an das System gebundenes Eindringlingsobjekt kam in die Nähe der Umgebung des binären Protosterns und interagierte mit ihr, was die Bildung von chaotischen, ausgedehnten Staub- und Gasströmen in der ihn umgebenden Scheibe verursachte.

Während solche auf Eindringlingen basierenden Vorbeiflugereignisse früher mit einiger Regelmäßigkeit in Computersimulationen der Sternentstehung beobachtet wurden, wurden nur wenige überzeugende direkte Beobachtungen gemacht, und bis jetzt sind die Ereignisse weitgehend theoretisch geblieben.

Wissenschaftler haben in Z Canis Majors (Z CMa), einem Stern im Sternbild Canis Majoris, ein Eindringlingsobjekt eingefangen, das die protoplanetare Scheibe – Geburtsort von Planeten – stört. Diese künstlerische Darstellung zeigt, wie der Störer das Sternensystem verlässt und dabei einen langen Gasstrom aus der protoplanetaren Scheibe mit sich zieht. Beobachtungsdaten des Subaru-Teleskops, des Karl G. Jansky Very Large Array und des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array deuten darauf hin, dass das Eindringlingsobjekt für die Entstehung dieser Gasströme verantwortlich war, und sein „Besuch“ könnte andere, noch unbekannte Auswirkungen auf die haben Wachstum und Entwicklung von Planeten im Sternensystem. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

„Beobachtungsnachweise für Vorbeiflugereignisse sind schwer zu erhalten, da diese Ereignisse schnell passieren und es schwierig ist, sie in Aktion festzuhalten. Was wir mit unseren ALMA-Band-6- und VLA-Beobachtungen gemacht haben, ist gleichbedeutend damit, einen Blitz einzufangen, der in einen Baum einschlägt“, sagte Ruobing Dong, Astronom an der University of Victoria in Kanada und Hauptforscher der neuen Studie. „Diese Entdeckung zeigt, dass enge Begegnungen zwischen jungen Sternen, die Scheiben beherbergen, im wirklichen Leben vorkommen und nicht nur theoretische Situationen sind, die in Computersimulationen beobachtet werden. Frühere Beobachtungsstudien hatten Vorbeiflüge gesehen, waren jedoch nicht in der Lage, die umfassenden Beweise zu sammeln, die wir für das Ereignis bei Z CMa erhalten konnten.“

Störungen oder Störungen wie die bei Z CMa werden normalerweise nicht von Eindringlingen verursacht, sondern eher von Geschwistersternen, die zusammen im Weltraum aufwachsen. Hau-Yu Baobab Liu, Astronom am Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taiwan und Co-Autor der Veröffentlichung, sagte: „Meistens entstehen Sterne nicht isoliert. Die zusammen geborenen Zwillinge oder sogar Drillinge oder Vierlinge können durch die Schwerkraft angezogen werden und sich dadurch sehr nahe kommen. In diesen Momenten kann etwas Material auf den protoplanetaren Scheiben der Sterne abgestreift werden, um ausgedehnte Gasströme zu bilden, die Astronomen Hinweise auf die Geschichte vergangener Sternbegegnungen geben.“

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler ein Eindringlingsobjekt erfasst, das in ein sich entwickelndes Sternensystem „einbricht und eindringt“. Kombination von Streulichtbeobachtungen (H-Band) vom Subaru-Teleskop (oben rechts) mit Staubkontinuum-Emissionsbeobachtungen vom VLA (Ka-Band, 2. Bild rechts) und ALMAs Band 6-Empfänger (3. Bild rechts) und der 13CO-Linie ( unten rechts) konnten die Wissenschaftler ein umfassendes Verständnis davon gewinnen, wie viel Störung dieser Eindringling verursachte, einschließlich der Entwicklung langer Gasströme, die sich weit von der protoplanetaren Scheibe um Z Canis Majoris, einen Stern im Sternbild Canis Majoris, erstrecken. Welche Folgen diese Störungen für die Entstehung von Planeten im Sternensystem haben werden, ist noch abzuwarten. Bildnachweis: ALMA (ES/NAOJ/NRAO), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF), NAOJ

Nicolás Cuello, Astrophysiker und Marie-Curie-Stipendiat an der Université Grenoble Alpes in Frankreich und Co-Autor des Papiers, fügte hinzu, dass es im Fall von Z CMa die Morphologie oder Struktur dieser Ströme war, die den Wissenschaftlern bei der Identifizierung und Lokalisierung half der Eindringling. „Wenn eine Sternbegegnung stattfindet, verursacht sie Veränderungen in der Scheibenmorphologie – Spiralen, Verwerfungen, Schatten usw. –, die als Fingerabdrücke des Vorbeiflugs angesehen werden könnten. In diesem Fall haben wir durch einen sehr genauen Blick auf die Festplatte von Z CMa das Vorhandensein mehrerer vorbeifliegender Fingerabdrücke entdeckt.“

Diese Fingerabdrücke halfen den Wissenschaftlern nicht nur, den Eindringling zu identifizieren, sondern brachten sie auch dazu, darüber nachzudenken, was diese Wechselwirkungen für die Zukunft von Z CMa und den im System geborenen Babyplaneten bedeuten könnten, ein Prozess, der den Wissenschaftlern bisher ein Rätsel geblieben ist. „Was wir jetzt mit dieser neuen Forschung wissen, ist, dass Vorbeiflugereignisse in der Natur vorkommen und dass sie große Auswirkungen auf die gasförmigen zirkumstellaren Scheiben haben, die die Geburtswiegen von Planeten sind, die Babysterne umgeben“, sagte Cuello. „Vorbeiflugereignisse können die zirkumstellaren Scheiben um teilnehmende Sterne dramatisch stören, wie wir bei der Produktion langer Streamer um Z CMa gesehen haben.“

Wenn Sterne heranwachsen, interagieren sie oft mit ihren Geschwistersternen – Sternen, die in der Nähe von ihnen im Weltraum aufwachsen –, aber es wurde selten beobachtet, wie sie mit äußeren oder Eindringlingen interagieren. Wissenschaftler haben nun Beobachtungen eines Eindringlingsobjekts gemacht, das die protoplanetare Scheibe um Z Canis Majoris, einen Stern im Sternbild Canis Majoris, stört, was erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Babyplaneten haben könnte. Störungen, einschließlich langer Gasströme, wurden im H-Band mit dem Subaru-Teleskop, im Ka-Band mit dem Karl G. Jansky Very Large Array und mit dem Band-6-Empfänger des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array detailliert beobachtet. Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF), NAOJ

Liu fügte hinzu: „Diese Störer verursachen nicht nur Gasströme, sondern können auch die thermische Geschichte der beteiligten Wirtssterne wie Z CMa beeinflussen. Dies kann zu so heftigen Ereignissen wie Akkretionsausbrüchen führen und auch die Entwicklung des gesamten Sternensystems auf eine Weise beeinflussen, die wir noch nicht beobachtet oder definiert haben.“

Dong sagte, dass die Untersuchung der Entwicklung und des Wachstums junger Sternensysteme in der gesamten Galaxie den Wissenschaftlern hilft, den Ursprung unseres eigenen Sonnensystems besser zu verstehen. „Die Untersuchung dieser Art von Ereignissen gibt einen Einblick in die Vergangenheit, einschließlich dessen, was in der frühen Entwicklung unseres eigenen Sonnensystems passiert sein könnte, wofür kritische Beweise längst verschwunden sind. Zu beobachten, wie diese Ereignisse in einem sich neu bildenden Sternensystem stattfinden, liefert uns die Informationen, die wir brauchen, um zu sagen: „Ah-ha! Dies ist möglicherweise vor langer Zeit mit unserem eigenen Sonnensystem passiert.’ Im Moment haben uns VLA und ALMA die ersten Beweise zur Lösung dieses Rätsels geliefert, und die nächsten Generationen dieser Technologien werden Fenster zum Universum öffnen, von denen wir bisher nur geträumt haben.“

Kürzlich erhielt das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) die Genehmigung für sein Central Development Laboratory (CDL), ein millionenschweres Upgrade für ALMAs Band 6-Empfänger zu entwickeln, und das VLA (ngVLA) der nächsten Generation des Observatoriums erhielt starke Unterstützung von der Astronomie Community in der Astro2020 Decadal Survey. Technologische Fortschritte für beide Teleskope werden zu besseren Beobachtungen und einem potenziell signifikanten Anstieg bei der Entdeckung schwer sichtbarer Objekte wie des stellaren Eindringlings von Z CMa führen. Beide Projekte werden teilweise von der National Science Foundation (NSF) finanziert. „Diese Beobachtungen unterstreichen die Synergie, die aus einem neueren Instrument entstehen kann, das mit einem erfahreneren zusammenarbeitet, und wie gut der ALMA Band 6-Empfänger als Arbeitspferd ist“, sagte Dr. Joe Pesce, Astrophysiker und ALMA-Programmdirektor bei der NSF. „Ich freue mich auf die noch besseren Ergebnisse, die der verbesserte ALMA Band 6-Empfänger ermöglichen wird.“

Referenz: „Ein wahrscheinlicher Vorbeiflug des binären Protosterns Z CMa in Aktion gefangen“ 13. Januar, Naturastronomie.