Bahnbrechende Beobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops zeigen die Gaswindausbreitung in planetenbildenden Scheiben und erweitern so unser Verständnis der Planetenbildungsdynamik und der Scheibenentwicklung. (Künstlerische Darstellung.) Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
Forscher bilden zum ersten Mal Winde aus einer alten Planetenscheibe ab, die ihren Gasgehalt aktiv verteilt.
Der James Webb-Weltraumteleskop (JWST) hilft Wissenschaftlern dabei, herauszufinden, wie Planeten entstehen, indem es das Verständnis ihrer Geburtsorte und der zirkumstellaren Scheiben um junge Sterne fördert. In einem Artikel veröffentlicht in der Astronomisches Journal, ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Naman Bajaj von der University of Arizona und darunter Dr. Uma Gorti vom SETI-Institut, hat zum ersten Mal Winde von einer alten Planetenbildungsscheibe (im Vergleich zur Sonne noch sehr jung) aufgenommen seinen Gasinhalt aktiv verteilen. Die Festplatte wurde schon einmal bebildert, Winde von alten Festplatten jedoch nicht. Es ist wichtig zu wissen, wann sich das Gas verteilt, da es die Zeit begrenzt, die entstehenden Planeten bleibt, um das Gas aus ihrer Umgebung zu verbrauchen.
Einblicke aus der erodierenden Scheibe von TCha
Im Mittelpunkt dieser Entdeckung steht die Beobachtung von TCha, einem jungen Stern (relativ zur Sonne), der von einer erodierenden Scheibe umgeben ist und sich durch eine riesige Staublücke mit einem Radius von etwa 30 Astronomischen Einheiten auszeichnet. Zum ersten Mal haben Astronomen das sich ausbreitende Gas (auch bekannt als Winde) anhand der vier Linien der Edelgase Neon (Ne) und Argon (Ar) abgebildet. Eine davon ist die erste Entdeckung in einer Planetenbildungsscheibe. Die Bilder von [Ne II] zeigen, dass der Wind aus einem ausgedehnten Bereich der Scheibe kommt. Das Team, das alle Mitglieder eines JWST-Programms unter der Leitung von Ilaria Pascucci (U Arizona) ist, ist auch daran interessiert zu wissen, wie dieser Prozess abläuft, damit es die Geschichte und die Auswirkungen auf unser Sonnensystem besser verstehen kann.
„Diese Winde könnten entweder durch hochenergetische Sternphotonen (das Licht des Sterns) oder durch das Magnetfeld angetrieben werden, das die planetenbildende Scheibe webt“, sagte Naman.
Uma Gorti vom SETI-Institut forscht seit Jahrzehnten zur Scheibenausbreitung und hat zusammen mit ihrem Kollegen die starke Argonemission vorhergesagt, die das JWST nun entdeckt hat. Sie ist „aufgeregt, endlich die physikalischen Bedingungen im Wind entschlüsseln zu können, um zu verstehen, wie sie starten.“
Das James Webb Space Telescope (JWST) ist ein hochmodernes astronomisches Observatorium, das die Geheimnisse des Universums entschlüsseln soll, von der Entstehung von Galaxien, Sternen und Planeten bis hin zur Entdeckung potenzieller Lebenszeichen auf Exoplaneten. Es wurde im Dezember 2021 in Betrieb genommen und dient als führendes Weltraumobservatorium des nächsten Jahrzehnts und baut auf dem Erbe des Hubble-Weltraumteleskops mit seinen leistungsstärkeren Instrumenten und umfassenderen Beobachtungsmöglichkeiten auf. Bildnachweis: NASA
Die Evolution der Planetensysteme
Planetensysteme wie unser Sonnensystem scheinen mehr Gesteinsobjekte zu enthalten als gasreiche. Dazu gehören rund um unsere Sonne die inneren Planeten, der Asteroidengürtel und der Kuipergürtel. Aber Wissenschaftler wissen seit langem, dass Planeten bildende Scheiben zunächst eine 100-mal größere Masse in Gas als in Festkörpern haben, was zu einer drängenden Frage führt: Wann und wie verlässt der größte Teil des Gases die Scheibe/das System?
In den sehr frühen Stadien der Entstehung eines Planetensystems verschmelzen Planeten zu einer rotierenden Scheibe aus Gas und winzigem Staub um den jungen Stern. Diese Partikel verklumpen und bilden immer größere Brocken, sogenannte Planetesimale. Mit der Zeit kollidieren diese Planetesimale, kleben zusammen und bilden schließlich Planeten. Art, Größe und Standort der entstehenden Planeten hängen von der Menge des verfügbaren Materials und der Verweildauer in der Scheibe ab. Das Ergebnis der Planetenentstehung hängt also von der Entwicklung und Ausbreitung der Scheibe ab.
Dieselbe Gruppe führte in einem anderen Artikel unter der Leitung von Dr. Andrew Sellek vom Observatorium Leiden Simulationen der Ausbreitung durch stellare Photonen durch, um zwischen den beiden zu unterscheiden. Sie vergleichen diese Simulationen mit den tatsächlichen Beobachtungen und stellen fest, dass die Ausbreitung durch hochenergetische Sternphotonen die Beobachtungen erklären kann und daher nicht als Möglichkeit ausgeschlossen werden kann. Andrew beschrieb, wie „die gleichzeitige Messung aller vier Linien durch JWST sich als entscheidend für die Bestimmung der Eigenschaften des Windes erwies und uns dabei half, nachzuweisen, dass erhebliche Mengen an Gas verteilt werden.“ Um es in einen Zusammenhang zu bringen: Die Forscher berechnen, dass die Masse, die sich jedes Jahr ausbreitet, der des Mondes entspricht! Ein Begleitpapier, das derzeit von der geprüft wird Astronomisches Journalwird diese Ergebnisse detailliert beschreiben.
Transformative Entdeckungen und Zukunftsaussichten
Der [Ne II] Die Linie wurde erstmals 2007 mit dem Spitzer-Weltraumteleskop in Richtung mehrerer Planeten bildender Scheiben entdeckt und bald von Projektleiter Prof. Pascucci an der University of Arizona als Indikator für Winde identifiziert. Dies veränderte die Forschungsbemühungen, die sich auf das Verständnis der Gasausbreitung in der Scheibe konzentrierten. Die Entdeckung des räumlich Aufgelösten [Ne II] und der erste Nachweis von [Ar III] Die Verwendung des JWST könnte der nächste Schritt zur Veränderung unseres Verständnisses dieses Prozesses sein.
„Wir haben Neon vor mehr als einem Jahrzehnt zum ersten Mal zur Untersuchung von Planeten bildenden Scheiben eingesetzt und dabei unsere Computersimulationen anhand von Daten von Spitzer und neuen Beobachtungen getestet, die wir damit gewonnen haben ESO VLT“, sagte Professor Richard Alexander von der University of Leicester School of Physics and Astronomy. Wir haben viel gelernt, aber diese Beobachtungen erlaubten uns nicht zu messen, wie viel Masse die Scheiben verloren. Die neuen JWST-Daten sind spektakulär und die Möglichkeit, Scheibenwinde in Bildern aufzulösen, hätte ich nie für möglich gehalten. Da noch weitere Beobachtungen wie diese anstehen, wird uns JWST ermöglichen, junge Planetensysteme wie nie zuvor zu verstehen.“
Darüber hinaus hat die Gruppe auch herausgefunden, dass sich die innere Scheibe von T Cha in sehr kurzen Zeiträumen von Jahrzehnten entwickelt; Sie stellen fest, dass sich das JWST-Spektrum von T Cha vom früheren Spitzer-Spektrum unterscheidet. Laut Chengyan Xie von der University of Arizona, dem Hauptautor dieser laufenden Arbeit, könnte diese Diskrepanz durch eine kleine, asymmetrische innere Scheibe erklärt werden, die in nur etwa 17 Jahren einen Teil ihrer Masse verloren hat. Zusammen mit den anderen Studien deutet dies auch darauf hin, dass die T-Cha-Scheibe am Ende ihrer Entwicklung steht. Chengyan fügt hinzu: „Vielleicht können wir noch zu unseren Lebzeiten Zeuge der Ausbreitung der gesamten Staubmasse in der inneren Scheibe von T Cha werden!“
Die Implikationen dieser Erkenntnisse bieten neue Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen, die zur Ausbreitung von Gas und Staub führen, die für die Planetenentstehung entscheidend sind. Durch das Verständnis der Mechanismen hinter der Scheibenausbreitung können Wissenschaftler die Zeitpläne und Umgebungen, die die Geburt von Planeten begünstigen, besser vorhersagen. Die Arbeit des Teams demonstriert die Leistungsfähigkeit von JWST und stellt einen neuen Weg für die Erforschung der Planetenbildungsdynamik und der Entwicklung zirkumstellarer Scheiben dar.
Referenz: „JWST MIRI MRS Observations of T Cha: Discovery of a Spatially Resolved Disk Wind“ von Naman S. Bajaj, Ilaria Pascucci, Uma Gorti, Richard Alexander, Andrew Sellek, Jane Morrison, Andras Gaspar, Cathie Clarke, Chengyan Xie, Giulia Ballabio und Dingshan Deng, 4. März 2024, Das Astronomische Journal.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad22e1
Die in dieser Arbeit verwendeten Daten wurden mit dem JWST/MIRI-Instrument über das General Observers Cycle 1-Programm PID 2260 (PI: I. Pascucci) erfasst. Zum Forschungsteam gehören Naman Bajaj (Doktorand), Prof. Ilaria Pascucci, Dr. Uma Gorti, Prof. Richard Alexander, Dr. Andrew Sellek, Dr. Jane Morrison, Prof. Andras Gaspar, Prof. Cathie Clarke, Chengyan Xie (Absolvent). Studentin), Dr. Giulia Ballabio und Dingshan Deng (Doktorandin).