Wie drei Eisenringe die Planetenentstehung neu definieren könnten

Beobachtungen mit dem Very Large Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte (ESO) haben verschiedene Silikatverbindungen und möglicherweise Eisen gefunden, Materialien, die wir auch in großen Mengen auf Gesteinsplaneten im Sonnensystem finden. Bildnachweis: © Jinri

Eine dreiringige Struktur in der Planetenentstehungsregion der zirkumstellaren Scheibe, wo Mineralien und Metalle als Aufbewahrungsort für Planetenbausteine ​​dienen.

Ein Forscherteam, darunter Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA), hat in der inneren Planetenbildungsscheibe eines jungen Sterns eine dreiringige Planetenkinderstube entdeckt. Diese Konfiguration legt zwei nahe der Jupiter– In den Lücken zwischen den Ringen bilden sich Planeten mit Masse. Eine detaillierte Analyse stimmt mit reichlich festen Eisenkörnern überein, die die Staubzusammensetzung ergänzen. Daher enthält die Scheibe wahrscheinlich Mineralien und Metalle, die denen ähneln, die auf den terrestrischen Planeten im Sonnensystem vorkommen. Es bietet einen Einblick in ähnliche Bedingungen wie im frühen Sonnensystem vor mehr als vier Milliarden Jahren, als Gesteinsplaneten wie Merkur entstanden. Venusund die Erde.

Drei Eisenringe in einer Planetenscheibe

Der Ursprung der Erde und des Sonnensystems begeistert Wissenschaftler und Öffentlichkeit gleichermaßen. Durch die Untersuchung des aktuellen Zustands unseres Heimatplaneten und anderer Körper im Sonnensystem haben Forscher ein detailliertes Bild der Bedingungen entwickelt, unter denen sie sich vor etwa 4,5 Milliarden Jahren aus einer Staub- und Gasscheibe um die junge Sonne entwickelten.

Drei Ringe weisen auf zwei Planeten hin

Dank der erstaunlichen Fortschritte in der Sternen- und Planetenentstehungsforschung, die auf entfernte Himmelskörper abzielt, können wir nun die Bedingungen in der Umgebung junger Sterne erforschen und sie mit denen des frühen Sonnensystems vergleichen. Mithilfe der Europäischen Südsternwarte (Eso) Sehr großes Teleskop VLTI ist das, was ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Józef Varga vom Konkoli-Observatorium in Budapest, Ungarn, durchgeführt hat. Sie beobachteten die planetenbildende Scheibe des jungen Sterns HD 144432, etwa 500 Lichtjahre entfernt.

Eine Luftaufnahme des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte auf dem Cerro Paranal in der Atacama-Wüste in Chile. Das VLT-Interferometer (VLTI) kombiniert das Licht von vier Teleskopen und ermöglicht so die hochauflösende Abbildung entfernter Himmelsobjekte. Bildnachweis: G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

„Durch die Untersuchung der Staubverteilung im inneren Bereich der Scheibe entdeckten wir erstmals eine komplexe Struktur, in der sich in einer solchen Umgebung Staub in drei konzentrischen Ringen ansammelt“, sagt Roy van Bokel. Er ist Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und Mitautor des in der Zeitschrift veröffentlichten Hauptforschungsartikels Astronomie und Astrophysik. „Diese Region entspricht der Region, in der sich Gesteinsplaneten im Sonnensystem gebildet haben“, fügt Van Bokel hinzu. Im Vergleich zum Sonnensystem liegt der erste Ring um HD 144432 innerhalb der Umlaufbahn von Merkur, der zweite nahe daran MarsEin Weg. Darüber hinaus entspricht der dritte Ring in etwa der Umlaufbahn des Jupiter.

Bisher haben Astronomen solche Formationen meist in größeren Maßstäben gefunden, die Welten außerhalb des Weltraums entsprechen Saturn Es dreht sich um die Sonne. Ringsysteme, die in Scheiben um junge Sterne gefunden werden, deuten im Allgemeinen darauf hin, dass sich Planeten innerhalb von Lücken gebildet haben, als sich Staub und Gas auf ihrem Weg ansammelten. Allerdings ist HD 144432 das erste Beispiel eines solch komplexen Ringsystems so nah an seinem Mutterstern. Es kommt in einem Gebiet vor, das reich an Staub ist, der den Baustein von Gesteinsplaneten wie der Erde bildet. Unter der Annahme, dass die Ringe auf die Anwesenheit zweier Planeten hinweisen, die sich innerhalb der Lücken bilden, haben Astronomen geschätzt, dass ihre Massen ungefähr denen von Jupiter ähneln.

Die Bedingungen könnten denen im frühen Sonnensystem ähneln

Astronomen bestimmten die Zusammensetzung des Staubs in der Scheibe bis zur Trennung vom Zentralstern, was der Entfernung Jupiters von der Sonne entspricht. Was sie fanden, ist Wissenschaftlern, die die Erde und Gesteinsplaneten im Sonnensystem untersuchen, sehr vertraut: verschiedene Silikate (Silizium-Sauerstoff-Metallverbindungen) und andere Mineralien, die in der Erdkruste und im Erdmantel vorkommen, und möglicherweise metallisches Eisen, wie es auf Merkur und der Erde zu finden ist. Kerne. Wenn dies bestätigt wird, wäre diese Studie die erste, die Eisen in einer Planetenscheibe nachweisen würde.

Diese Abbildung ist ein schematisches Diagramm von HD 144432, wie es mit VLTI beobachtet wurde. Die Daten stimmen mit einer Struktur aus drei konzentrischen Ringen überein. Die Lücken zwischen den Ringen weisen im Allgemeinen darauf hin, dass große Planeten durch Ansammlung von Staub und Gas entlang ihrer Umlaufbahn um ihren Mutterstern entstehen. Silikatmineralien liegen hauptsächlich als Kristalle in der inneren heißen Zone vor. VLTI-Feedback kann die kalte externe Festplatte nicht begrenzen. Bildnachweis: © J. Varga et al. / MPIA

„Bisher haben Astronomen Beobachtungen von Staubscheiben mit einer Mischung aus Kohlenstoff und Silikatstaub erklärt, Materialien, die wir fast überall im Universum sehen“, erklärt Van Bokel. Aus chemischer Sicht ist die Eisen-Silikat-Mischung jedoch in heißen Innenscheibenregionen akzeptabler. Tatsächlich liefert das chemische Modell, das Varga, der Hauptautor des ursprünglichen Forschungsartikels, auf die Daten anwendete, bessere Ergebnisse, wenn Eisen anstelle von Kohlenstoff eingeführt wird.

Darüber hinaus kann die Temperatur des in HD 144432 beobachteten Staubs 1.800 K (etwa 1.500 Grad) erreichen. Celsius) am Innenrand und eine moderate Temperatur von 300 K (ca. 25 °C) an der Außenseite. Metalle und Eisen schmelzen und kondensieren in heißen Regionen in der Nähe des Sterns wieder, oft zu Kristallen. Im Gegensatz dazu überleben Kohlenstoffkörner die Hitze nicht und liegen stattdessen als Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidgas vor. Allerdings könnte Kohlenstoff immer noch ein wichtiger Bestandteil der Feststoffpartikel in der kalten äußeren Scheibe sein, was die Beobachtungen in dieser Studie nicht nachvollziehen können.

Auch eisenreicher, kohlenstoffarmer Staub eignet sich gut für die Bedingungen im Sonnensystem. Merkur und Erde sind eisenreiche Planeten, während die Erde relativ wenig Kohlenstoff enthält. „Wir glauben, dass die Scheibe HD 144432 dem frühen Sonnensystem sehr ähnlich sein könnte, das einen Großteil des Eisens für die heute bekannten Gesteinsplaneten lieferte“, sagt van Bokel. „Unsere Studie könnte ein weiteres Beispiel dafür sein, dass die Entstehung unseres Sonnensystems durchaus typisch sein könnte.“

Interferometrie löst kleine Details auf

Der Abruf der Ergebnisse war nur durch außergewöhnlich hochauflösende Beobachtungen möglich, wie sie das VLTI bereitstellt. Durch die Kombination der vier 8,2-Meter-VLT-Teleskope am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte können sie Details so auflösen, als würden Astronomen ein Teleskop mit einem 200-Meter-Hauptspiegel verwenden. Varga, van Bokel und ihre Mitarbeiter erfassten die Daten mit drei Instrumenten, um eine breite Wellenlängenabdeckung von 1,6 bis 13 Mikrometern zu erreichen, was Infrarotlicht darstellt.

Das MPIA lieferte biotechnologische Elemente für zwei Instrumente, GRAVITY und das Multi-Aperture Mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE). Eines der Hauptziele von Mattis ist die Untersuchung der Gesteinsregionen, aus denen Planeten um junge Sterne bestehen. „Durch die Untersuchung des Inneren protoplanetarer Scheiben um Sterne wollen wir den Ursprung der verschiedenen in der Scheibe enthaltenen Mineralien erforschen – Mineralien, die später die festen Bestandteile von Planeten wie der Erde bilden werden“, sagt Thomas Henning, MPIA-Direktor und Forscher. Teilnehmer PI des MATISSE-Tools.

Allerdings ist die Erstellung von Interferometerbildern, wie wir sie von einzelnen Teleskopen gewohnt sind, nicht einfach und zeitaufwändig. Die effizienteste Nutzung wertvoller Beobachtungszeit zur Entschlüsselung der Objektstruktur besteht darin, spärliche Daten mit Modellen möglicher Zielkonfigurationen zu vergleichen. Im Fall von HD 144432 stellt die Drei-Ring-Struktur die Daten besser dar.

Wie häufig kommen eisenreiche Planetenscheiben vor?

Neben dem Sonnensystem scheint HD 144432 ein weiteres Beispiel für die Entstehung von Planeten in einer eisenreichen Umgebung zu sein. Allerdings werden die Astronomen hier nicht aufhören. „Wir haben noch ein paar vielversprechende Kandidaten, die darauf warten, dass VLTI genauer hinschaut“, betont Van Bokel. Bei früheren Beobachtungen entdeckte das Team eine Reihe von Scheiben um junge Sterne, die auf Konfigurationen hinweisen, die es wert sind, noch einmal untersucht zu werden. Mithilfe modernster VLTI-Geräte werden sie jedoch die detaillierte Struktur und Chemie enthüllen. Irgendwann könnten Astronomen klären, ob sich Planeten typischerweise in eisenreichen Staubscheiben in der Nähe ihrer Muttersterne bilden.

Referenz: „Mittlere Infrarot-Beweise für eisenreichen Staub in der inneren Multiringscheibe von HD 144432“ von J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. Cosbal, B. Abraham, J.-C. Augereau, P. Polly, J. Bordarot, A. Carati oder Jarati, F. Cruz Saenz de Mira, W. C. Danchi, V. Gamez Rosas, Th. Henning, K.-H. Hoffmann, M. Holley, J. W. Isbell, W. Jaffe, T. Juhasz, V. Kekskemethy, J. Cobos, E. Kokulina, L. Labadie, F. Leco, F. Mellor, A. Moore, N. Morugao, E. Pantin, D. Schertel, M. Schick, L. Van Haester, J. Weigelt, J. Wells und B. Woytek, 8. Januar 2024, Astronomie und Astrophysik.
doi: 10.1051/0004-6361/202347535

Die an dieser Studie beteiligten MPIA-Forscher sind: Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (ebenfalls HUN-REN Forschungszentrum für Astronomie und Geowissenschaften, Konkoli-Observatorium, Budapest, Ungarn). [Konkoly]; CSFK, MTA Center of Excellence, Budapest, Ungarn [CSFK]; ELTE Eötvös Loránd Universität, Budapest, Ungarn [ELTE]), Alessio Carati oder Garatti (auch INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Neapel, Italien).

Weitere Gesellschafter sind: J. Varga (Concoli; CSFK; Observatorium Leiden, Niederlande). [Leiden]), LBFM Waters (Radboud-Universität, Nijmegen, Niederlande; SRON, Leiden, Niederlande), M. Hogerheijde (Leiden; Universität Amsterdam, Niederlande) [UVA]), A. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, Nizza, Frankreich [OCA]), B. Lopez (OCA), K. Peru (Université Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, Frankreich [IPAG]), L. Chen (Konkoly; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Universität Kiel, Deutschland [UK]), C. Dominic (UVA), P. Abraham (Konkoli; CSFK; ELTE), J.-C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly; CSFK; Universität Toulouse, Frankreich), W. C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hoffmann (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (UK), E. Kokoulina (Universität Lüttich, Belgien). ; OCA), L. Labadie (Universität zu Köln, Deutschland), F. Lykou (Konkoly; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly; CSFK), N. Morujão (Universidade de Lisboa und Universidade do Porto, Portugal), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, Frankreich), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland). ), P. Woitke (Institut für Weltraumforschung, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Graz, Österreich), MATISSE und GRAVITY Collaborations