Webbs Infrarotauge entdeckt bizarre „Katzenschwanz“-Staubstruktur in Beta Pictoris

Neue Beobachtungen im Infrarotlicht deuten auf eine kürzlich erfolgte massive Kollision hin

Seit den 1980er Jahren fasziniert das Planetensystem um den Stern Beta Pictoris Wissenschaftler. Selbst nach jahrzehntelanger Forschung birgt es immer noch Überraschungen.

NASA‘S James Webb-Weltraumteleskop hat ein aufregendes neues Kapitel der Geschichte von Beta Pic aufgeschlagen, das neue Details über die Zusammensetzung seiner Trümmerscheiben und eine noch nie zuvor gesehene Staubspur enthält, die einem Katzenschwanz ähnelt. Ein Team von Astronomen geht davon aus, dass dieses Merkmal eine relativ neue Ergänzung des Planetensystems ist – ein Schweif, der noch nicht so alt ist wie die Zeit.

Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA hat ein Bild des Sternensystems Beta Pictoris aufgenommen. Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) ermöglichte es einem Team von Astronomen, die Zusammensetzung der Haupt- und Sekundärtrümmerscheiben von Beta Pic zu untersuchen – letzteres Merkmal wurde zuvor vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt.
Unerwarteterweise entdeckten Webbs Infrarotfähigkeiten ein neues Merkmal des Beta Pic-Systems: einen geschwungenen Staubzweig, der der Form eines Katzenschwanzes ähnelt. Dieser Schweif, der nur in den MIRI-Daten erkennbar ist, erstreckt sich vom südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe und erstreckt sich schätzungsweise über 10 Milliarden Meilen.
Der Staub, der den Schweif bildet, ähnelt möglicherweise der Materie, die auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Weitere Analysen sind erforderlich, um den Ursprung des Katzenschwanzes zu verstehen, obwohl das Team davon ausgeht, dass ein Staubproduktionsereignis – etwa eine Kollision zwischen Asteroiden, Kometen oder Planetesimalen – dafür verantwortlich ist.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Christopher Stark (NASA-GSFC), Kellen Lawson (NASA-GSFC), Jens Kammerer (ESO), Marshall Perrin (STScI)

Webb-Weltraumteleskop entdeckt staubigen „Katzenschwanz“ im Beta-Pictoris-System

Beta Pictoris, ein junges Planetensystem, das nur 63 Lichtjahre entfernt liegt, fasziniert Wissenschaftler auch nach Jahrzehnten eingehender Forschung weiterhin. Es besitzt die erste abgebildete Staubscheibe um einen anderen Stern – eine Scheibe aus Trümmern, die durch Kollisionen zwischen Asteroiden, Kometen und Planetesimalen entstanden sind. Beobachtungen der NASA Hubble-Weltraumteleskop enthüllte eine zweite Trümmerscheibe in diesem System, die gegenüber der äußeren Scheibe geneigt war, die zuerst gesehen wurde. Jetzt hat ein Team von Astronomen mithilfe des James Webb-Weltraumteleskops der NASA eine neue, bisher ungesehene Struktur entdeckt, um das System Beta Pictoris (Beta Pic) abzubilden.

Das Team unter der Leitung von Isabel Rebollido vom Zentrum für Astrobiologie in Spanien nutzte Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) und MIRI (Mid-Infrared Instrument), um die Zusammensetzung der zuvor entdeckten Haupt- und Sekundärtrümmerscheiben von Beta Pic zu untersuchen. Die Ergebnisse übertrafen ihre Erwartungen und enthüllten einen stark geneigten Staubzweig in Form eines Katzenschwanzes, der sich vom südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe erstreckt.

„Beta Pictoris ist die Trümmerscheibe, die alles hat: Sie hat einen wirklich hellen, nahen Stern, den wir sehr gut untersuchen können, und eine komplexe cirumstellare Umgebung mit einer Scheibe aus mehreren Komponenten, Exokometen und zwei abgebildeten Exoplaneten“, sagte Rebollido. Hauptautor der Studie. „Obwohl es in diesem Wellenlängenbereich bereits frühere Beobachtungen vom Boden aus gab, hatten diese nicht die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung, die wir jetzt mit Webb haben, sodass sie dieses Merkmal nicht entdeckten.“

Dies ist eine Animation, die die Entstehung des Katzenschwanzes darstellt, wie sie von einem Team von Astronomen vermutet wurde. Diese Struktur, die im südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe von Beta Pic zu sehen ist, erstreckt sich schätzungsweise über 10 Milliarden Meilen.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Schwanz der Katze das Ergebnis einer Staubproduktion – etwa einer Kollision – ist, die sich erst vor nur hundert Jahren ereignete. Zunächst folgt der erzeugte Staub der gleichen Umlaufrichtung wie seine Quelle und beginnt sich dann auszubreiten. Das Licht des Sterns schiebt die kleinsten, flauschigsten Staubpartikel schneller vom Stern weg, während sich größere Körner nicht so stark bewegen und eine Staubspur erzeugen.

Aus der Seitenansicht betrachtet ist die starke Neigung des Katzenschwanzes eine optische Täuschung. Unsere Perspektive und die Krümmung des Schweifs erzeugen den beobachteten Winkel, während sich die Staubranke tatsächlich nur in einer Neigung von fünf Grad von der Scheibe entfernt.

Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Ralf Crawford (STScI)

Das Porträt eines Stars mit Webb verbessert

Selbst mit Webb oder JWST war es entscheidend, Beta Pic im richtigen Wellenlängenbereich – in diesem Fall im mittleren Infrarot – zu betrachten, um den Schwanz der Katze zu erkennen, da er nur in den MIRI-Daten auftauchte. Webbs Mittelinfrarotdaten zeigten auch Temperaturunterschiede zwischen den beiden Scheiben von Beta Pic, was wahrscheinlich auf Unterschiede in der Zusammensetzung zurückzuführen ist.

„Wir haben nicht damit gerechnet, dass Webb verrät, dass es rund um Beta Pic zwei verschiedene Arten von Material gibt, aber MIRI hat uns deutlich gezeigt, dass das Material der Sekundärscheibe und des Katzenschwanzes heißer ist als das der Hauptscheibe“, sagte Christopher Stark, ein Co-Autor -Autor der Studie am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Der Staub, der diese Scheibe und diesen Schweif bildet, muss sehr dunkel sein, sodass wir ihn bei sichtbaren Wellenlängen nicht leicht erkennen können – aber im mittleren Infrarot leuchtet er.“

Um die höhere Temperatur zu erklären, folgerte das Team, dass es sich bei dem Staub möglicherweise um hochporöses „organisches feuerfestes Material“ handelt, ähnlich der Materie, die auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Zum Beispiel eine vorläufige Analyse von Material, das von der NASA vom Asteroiden Bennu entnommen wurde OSIRIS-REx Die Mission stellte fest, dass es sehr dunkel und kohlenstoffreich war, ähnlich wie das, was MIRI bei Beta Pic entdeckte.

Kommentierte Version des Beta Pictoris-Bildes, aufgenommen mit Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument). Ein Koronograph (schwarzer Kreis und zwei kleine Scheiben) wurde verwendet, um das Licht des Zentralsterns zu blockieren. Bestimmte Funktionen werden hervorgehoben und beschriftet.
Über der orangefarbenen Haupttrümmerscheibe verläuft eine weiße Linie mit der Bezeichnung „Hauptscheibenebene“. Eine dünne blaugrüne Scheibe ist etwa fünf Grad gegen den Uhrzeigersinn relativ zur orangefarbenen Hauptscheibe geneigt und wird durch eine blaugrüne Linie mit der Bezeichnung „erweiterte Sekundärscheibe“ hervorgehoben. Ein Teil des grauen Materials, das sich in der Nähe der Mitte ansammelt, bildet oben rechts ein gekrümmtes Merkmal, das durch eine gelbe Linie mit der Bezeichnung „Katzenschwanz“ markiert ist.
Ein Maßstabsbalken zeigt, dass sich die Scheiben von Beta Pic über Hunderte von Astronomischen Einheiten (AE) erstrecken, wobei eine AE der durchschnittliche Abstand Erde-Sonne ist. (In unserem Sonnensystem umkreist Neptun die Sonne in einer Entfernung von 30 AE.) In diesem Bild ist Licht bei 15,5 Mikrometern cyanfarben und bei 23 Mikrometern orange (Filter F1550C bzw. F2300C).
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Christopher Stark (NASA-GSFC), Kellen Lawson (NASA-GSFC), Jens Kammerer (ESO), Marshall Perrin (STScI)

Der rätselhafte Anfang des Schwanzes erfordert zukünftige Forschung

Es bleibt jedoch eine wichtige Frage offen: Was könnte die Form des Katzenschwanzes erklären, ein einzigartig gekrümmtes Merkmal, das sich von dem unterscheidet, was man in Scheiben um andere Sterne sieht?

Rebollido und das Team modellierten verschiedene Szenarien, um den Schwanz der Katze nachzuahmen und seine Herkunft aufzudecken. Obwohl weitere Forschung und Tests erforderlich sind, stellt das Team eine starke Hypothese auf, dass der Schwanz der Katze das Ergebnis eines Staubproduktionsereignisses ist, das gerade einmal hundert Jahre zurückliegt.

„Etwas passiert – wie eine Kollision – und es entsteht viel Staub“, sagte Marshall Perrin, Mitautor der Studie am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. „Zuerst bewegt sich der Staub in derselben Umlaufrichtung wie seine Quelle, aber dann beginnt er sich auch auszubreiten. Das Licht des Sterns schiebt die kleinsten, flauschigsten Staubpartikel schneller vom Stern weg, während sich die größeren Körner nicht so stark bewegen, wodurch eine lange Staubranke entsteht.“

„Die Schwanzform der Katze ist höchst ungewöhnlich und die Krümmung mit einem dynamischen Modell zu reproduzieren war schwierig“, erklärte Stark. „Unser Modell erfordert Staub, der extrem schnell aus dem System gedrückt werden kann, was wiederum darauf hindeutet, dass es aus organischem, feuerfestem Material besteht.“

Kommentiertes Bild des Sternensystems Beta Pictoris, aufgenommen mit Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument), mit Kompasspfeilen, einer Maßstabsleiste und einem Farbschlüssel als Referenz.
Die Nord- und Ost-Kompasspfeile zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel. Beachten Sie, dass die Beziehung zwischen Norden und Osten am Himmel (von unten gesehen) relativ zu den Richtungspfeilen auf einer Karte des Bodens (von oben gesehen) umgekehrt ist.
Der Maßstabsbalken ist in astronomischen Einheiten und Bogensekunden beschriftet. Eine AE ist die durchschnittliche Entfernung Erde-Sonne. (In unserem Sonnensystem umkreist Neptun die Sonne in einer Entfernung von 30 AE.) Bogensekunden sind ein Maß für den Winkelabstand am Himmel. Eine Bogensekunde entspricht 1/3600 eines Bogengrades. (Der Vollmond hat einen Winkeldurchmesser von etwa 0,5 Grad.) Die tatsächliche Größe eines Objekts, das eine Bogensekunde am Himmel bedeckt, hängt von seiner Entfernung vom Teleskop ab.
Dieses Bild zeigt unsichtbare Lichtwellenlängen im mittleren Infrarotbereich, die in Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt wurden. Der Farbschlüssel zeigt, welche MIRI-Filter beim Sammeln des Lichts verwendet wurden. Die Farbe jedes Filternamens ist die Farbe des sichtbaren Lichts, die zur Darstellung des Infrarotlichts verwendet wird, das diesen Filter passiert.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Christopher Stark (NASA-GSFC), Kellen Lawson (NASA-GSFC), Jens Kammerer (ESO), Marshall Perrin (STScI)

Das vom Team bevorzugte Modell erklärt den spitzen Winkel des Schwanzes weg von der Scheibe als einfache optische Täuschung. Unsere Perspektive in Kombination mit der gekrümmten Form des Schwanzes erzeugt den beobachteten Winkel des Schwanzes, während der Materialbogen tatsächlich nur mit einer Neigung von fünf Grad von der Scheibe abweicht. Unter Berücksichtigung der Helligkeit des Schwanzes schätzt das Team, dass die Staubmenge im Schwanz der Katze der eines großen Hauptgürtelasteroiden entspricht, der sich über 10 Milliarden Meilen erstreckt.

Ein kürzliches Staubproduktionsereignis innerhalb der Trümmerscheiben von Beta Pic könnte auch eine neu beobachtete asymmetrische Ausdehnung der geneigten inneren Scheibe erklären, wie sie in den MIRI-Daten gezeigt wird und nur auf der dem Schweif gegenüberliegenden Seite zu sehen ist. Die jüngste Staubproduktion durch Kollisionen könnte auch für ein Merkmal verantwortlich sein, das bereits 2014 vom Atacama Large Millimeter/submillimeter Array entdeckt wurde: einen Kohlenmonoxidklumpen (CO), der sich in der Nähe des Schwanzes der Katze befand. Da die Strahlung des Sterns CO innerhalb von etwa hundert Jahren abbauen sollte, könnte diese immer noch vorhandene Gaskonzentration ein bleibender Beweis für dasselbe Ereignis sein.

„Unsere Untersuchungen deuten darauf hin, dass Beta Pic möglicherweise noch aktiver und chaotischer ist, als wir bisher angenommen hatten“, sagte Stark. „JWST überrascht uns immer wieder, selbst wenn wir die am besten untersuchten Objekte betrachten. Wir haben ein völlig neues Fenster in diese Planetensysteme.“

Diese Ergebnisse wurden in einer Pressekonferenz auf der 243. Tagung der American Astronomical Society in New Orleans, Louisiana, vorgestellt.

Die Beobachtungen wurden im Rahmen des Garantierte-Zeit-Beobachtungsprogramms 1411 durchgeführt.

Das James Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern ESA geleitet wird (Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.