Das Konzept dieses Künstlers basiert auf Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops von Gas- und Staubscheiben um den jungen Stern TW Hydrae. Fotos des Hubble-Weltraumteleskops zeigen Schatten, die über die Scheiben streichen, die das System umgeben. Die Interpretation ist, dass diese Schatten von leicht geneigten inneren Scheiben stammen, die das Sternenlicht daran hindern, die äußere Scheibe zu erreichen, und daher einen Schatten werfen. Die Scheiben sind aufgrund der Anziehungskraft unsichtbarer Planeten, die die Scheibenstruktur verzerren, leicht zueinander geneigt. Bildnachweis: NASA, AURA/STScI für die ESA, Leah Hustak (STScI)
Ungesehene neugeborene Planeten wirbeln Staub um einen jungen Stern auf
Unser Universum ist so launisch, dass es manchmal gerne ein Versteckspiel spielt. Im Jahr 2017 waren Astronomen überrascht, als sie sahen, wie ein riesiger Schatten über eine Scheibe aus Staub und Gas strich, die den nahe gelegenen jungen Stern TW Hydrae umkreiste. Der Schatten wird von einer inneren Scheibe aus Staub und Gas geworfen, die leicht zur Ebene der äußeren Scheibe geneigt ist. Der Schatten kann nur deutlich gesehen werden, weil das System frontal zur Erde geneigt ist, was den Astronomen einen Blick aus der Vogelperspektive auf die Scheibe ermöglicht, während der Schatten um die Scheibe herumfegt wie ein Zeiger, der sich um eine Uhr bewegt.
Aber eine Uhr hat zwei Zeiger (Stunden und Minuten), die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten herumlaufen. Und es stellt sich heraus, dass TW Hydrae das auch tut. Astronomen verwendeten Hubble, um einen zweiten Schatten zu finden, der von einer weiteren inneren Scheibe auftaucht, die zu den beiden äußeren Scheiben geneigt ist. Das System sieht also immer komplizierter aus mit mindestens drei verschachtelten Platten, die leicht relativ zueinander geneigt sind. Die Scheiben sind Stellvertreter für unsichtbare Planeten um den Stern. Jeder Planet zieht durch die Gravitation an Material in der Nähe des Sterns und verzerrt das, was eine perfekt flache, pfannkuchenförmige Scheibe gewesen wäre, wenn keine Planeten vorhanden wären. Dies ist keine Überraschung, da die Planeten in unserem Sonnensystem Umlaufebenen haben, deren Neigung um einige Grad voneinander abweicht. TW Hydrae gibt Astronomen einen Platz am Ring, um zu sehen, wie unser Sonnensystem während seiner prägenden Jahre ausgesehen haben könnte.
Vergleichsbilder des Hubble-Weltraumteleskops, die im Abstand von mehreren Jahren aufgenommen wurden, haben zwei unheimliche Schatten freigelegt, die sich gegen den Uhrzeigersinn über eine Gas- und Staubscheibe bewegen, die den jungen Stern TW Hydrae umkreist. Die Scheiben sind frontal zur Erde geneigt und geben den Astronomen so einen Blick aus der Vogelperspektive auf das, was um den Stern herum passiert. Das linke Bild, aufgenommen im Jahr 2016, zeigt nur einen Schatten [A] an der 11:00-Uhr-Position. Dieser Schatten wird von einer inneren Scheibe geworfen, die leicht zur äußeren Scheibe geneigt ist und so das Sternenlicht blockiert. Das Bild links zeigt einen zweiten Schatten, der aus einer weiteren verschachtelten Scheibe hervorgegangen ist [C] an der 7:00-Uhr-Position, fotografiert im Jahr 2021. Die ursprüngliche innere Scheibe ist markiert [B] in dieser späteren Ansicht. Die Schatten rotieren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wie die Zeiger einer Uhr um den Stern. Sie sind Beweise für zwei unsichtbare Planeten, die Staub in ihre Umlaufbahnen gezogen haben. Dadurch neigen sie sich leicht zueinander. Dies ist ein Foto mit sichtbarem Licht, das mit dem Imaging Spectrograph des Weltraumteleskops aufgenommen wurde. Künstliche Farbe wurde hinzugefügt, um Details zu verbessern. Bildnachweis: NASA, ESA, STScI, John Debes (AURA/STScI für ESA), Joseph DePasquale (STScI)
Das Hubble-Weltraumteleskop verfolgt das Schattenspiel um die planetenbildende Scheibe
Der junge Star TW Hydrae spielt „Schattenpuppen“ mit Wissenschaftlern, die ihn beobachten[{” attribute=””>NASA’s Hubble Space Telescope.
In 2017, astronomers reported discovering a shadow sweeping across the face of a vast pancake-shaped gas-and-dust disk surrounding the red dwarf star. The shadow isn’t from a planet, but from an inner disk slightly inclined relative to the much larger outer disk – causing it to cast a shadow. One explanation is that an unseen planet’s gravity is pulling dust and gas into the planet’s inclined orbit.
Now, a second shadow – playing a game of peek-a-boo – has emerged in just a few years between observations stored in Hubble’s MAST archive. This could be from yet another disk nestled inside the system. The two disks are likely evidence of a pair of planets under construction.
TW Hydrae is less than 10 million years old and resides about 200 light-years away. In its infancy, our solar system may have resembled the TW Hydrae system, some 4.6 billion years ago. Because the TW Hydrae system is tilted nearly face-on to our view from Earth, it is an optimum target for getting a bull’s-eye-view of a planetary construction yard.
The second shadow was discovered in observations obtained on June 6, 2021, as part of a multi-year program designed to track the shadows in circumstellar disks. John Debes of AURA/STScI for the European Space Agency at the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, compared the TW Hydrae disk to Hubble observations made several years ago.
“We found out that the shadow had done something completely different,” said Debes, who is principal investigator and lead author of the study published in The Astrophysical Journal. “When I first looked at the data, I thought something had gone wrong with the observation because it wasn’t what I was expecting. I was flummoxed at first, and all my collaborators were like: what is going on? We really had to scratch our heads and it took us a while to actually figure out an explanation.”
The best solution the team came up with is that there are two misaligned disks casting shadows. They were so close to each other in the earlier observation they were missed. Over time they’ve now separated and split into two shadows. “We’ve never really seen this before on a protoplanetary disk. It makes the system much more complex than we originally thought,” he said.
The simplest explanation is that the misaligned disks are likely caused by the gravitational pull of two planets in slightly different orbital planes. Hubble is piecing together a holistic view of the architecture of the system.
The disks may be proxies for planets that are lapping each other as they whirl around the star. It’s sort of like spinning two vinyl phonograph records at slightly different speeds. Sometimes labels will match up but then one gets ahead of the other.
“It does suggest that the two planets have to be fairly close to each other. If one was moving much faster than the other, this would have been noticed in earlier observations. It’s like two race cars that are close to each other, but one slowly overtakes and laps the other,” said Debes.
The suspected planets are located in a region roughly the distance of Jupiter from our Sun. And, the shadows complete one rotation around the star about every 15 years – the orbital period that would be expected at that distance from the star.
Also, these two inner disks are inclined about five to seven degrees relative to the plane of the outer disk. This is comparable to the range of orbital inclinations inside our solar system. “This is right in line with typical solar system style architecture,” said Debes.
The outer disk that the shadows are falling on may extend as far as several times the radius of our solar system’s Kuiper belt. This larger disk has a curious gap at twice Pluto’s average distance from the Sun. This might be evidence for a third planet in the system.
Any inner planets would be difficult to detect because their light would be lost in the glare of the star. Also, dust in the system would dim their reflected light. ESA’s Gaia space observatory may be able to measure a wobble in the star if Jupiter-mass planets are tugging on it, but this would take years given the long orbital periods.
The TW Hydrae data are from Hubble’s Space Telescope Imaging Spectrograph. The James Webb Space Telescope’s infrared vision may also be able to show the shadows in more detail.
Reference: “The Surprising Evolution of the Shadow on the TW Hya Disk” by John Debes, Rebecca Nealon, Richard Alexander, Alycia J. Weinberger, Schuyler Grace Wolff, Dean Hines, Joel Kastner, Hannah Jang-Condell, Christophe Pinte, Peter Plavchan and Laurent Pueyo, 4 May 2023, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/acbdf1
The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA. NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, in Washington, D.C.