Neue Bilder vom japanischen Subaru-Teleskop zeigen, wie ein junger Stern in der Nähe seine Kindheit schnell beendete. Die Lücke befindet sich ungefähr in der gleichen Entfernung vom Stern wie die Umlaufbahn des Saturn und liefert zusätzliche Beweise für Theorien darüber, wie sich Materialscheiben um junge Sterne entwickeln.
Astronomen des Nationalen Astronomischen Observatoriums Japans und des Max-Planck-Instituts für Astronomie zoomten mit dem Subaru-Teleskop auf Mauna Kea, Hawaii, auf ein nahe gelegenes junges Sternchen namens HD 141569A, um ein Loch in einer umgebenden Gas- und Staubscheibe zu entdecken der Stern. Die Existenz dieser großen Lücke, die ungefähr so groß wie die Umlaufbahn des Saturn ist, stützt die Theorie, dass dieser junge Stern seine Kindheit abrupt beendete, indem er das Gas in der Scheibe, aus der er geboren wurde, ionisierte und wegdrückte.
Das Team unter der Leitung von Dr. Miwa Goto und Professor Tomonori Usuda nutzte die hervorragende räumliche Auflösung des adaptiven Optiksystems und der Infrarotkamera und des Spektrographen (IRCS) auf Subaru, um den innersten Teil der Platte um HD 141569A in aufzulösen Emissionslinien von Kohlenmonoxid im infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Es war bekannt, dass die Scheibe aus früheren Untersuchungen des Staubes um den Stern existierte. Durch die Untersuchung des Gases konnte die neue Studie erfolgreich die Größe der inneren Lichtung in der Scheibe bestimmen.
Die Emission von Kohlenmonoxid (CO) in der Scheibe um HD 141569A, die etwa 320 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, erstreckt sich bis zu einer Entfernung, die fünfzigmal so groß ist wie die Erdumlaufbahn. (Die Entfernung zwischen Erde und Sonne wird als astronomische Einheit bezeichnet. In unserem Sonnensystem beträgt der Umlaufradius von Neptun etwa 30 AE). Es wird allmählich stärker in Richtung des inneren Teils, der dem Stern am nächsten liegt. Die Emissionsspitzen liegen bei etwa 15 AE und verringern sich dann zum Zentralstern. "Wir wissen jetzt, dass wenig Gas in den inneren 11 AU der Scheibe verbleibt", sagte Usuda. "Mit anderen Worten, HD 141569A hat ein Loch in der Mitte seiner molekularen Gasscheibe vollständig entwickelt, das größer ist als die Umlaufbahn des Saturn."
"Die Größe des Lochs ist sehr bedeutend", sagte Goto, "weil es die Möglichkeiten einschränkt, wie das Loch überhaupt entstanden ist."
Theoretisch könnte eine zirkumstellare Scheibe einen inneren Hohlraum haben, der durch das Schließen von Linien in der Magnetosphäre des Sterns entsteht und die Scheibe abschneidet. Dies wird als magnetosphärische Verkürzung bezeichnet und könnte erklären, warum es eine Lücke im Staub gibt. Die Größe der Verkürzung muss jedoch viel kleiner sein, so klein wie ein Hundertstel einer astronomischen Einheit oder ungefähr so groß wie der Stern selbst, so dass dies die vorliegende Beobachtung nicht erklären kann.
Die Zerstörung von Staub durch Strahlung des Sterns in einem als Sublimation bezeichneten Prozess könnte auch ein inneres Loch in einer Scheibe erzeugen. Auch hier ist der erwartete Radius für eine solche Aktivität zu klein, etwa ein Zehntel des Umlaufradius der Erde, um den zentralen Hohlraum von HD 141569A zu erklären.
Die beste Erklärung für die Größe des zentralen Hohlraums von HD 141569A ist die Tatsache, dass er dem Gravitationsradius des Sterns entspricht. Dies ist der Radius, in dem die Schallgeschwindigkeit des vom Stern strömenden ionisierten Gases gleich der Fluchtgeschwindigkeit vom Stern ist. Mit anderen Worten, das Gas außerhalb des Gravitationsradius kann frei aus dem System entweichen, sobald es ionisiert ist. Das Gas in der Scheibe ist im Gravitationsradius am dichtesten und erhält mehr Strahlung vom Zentralstern als vom äußeren Teil. Der Massenverlust der Scheibe durch Photoverdampfung ist daher im Gravitationsradius am effizientesten.
Die ähnliche Größenskala des inneren Hohlraums der HD 141569A-Scheibe und ihres Gravitationsradius von etwa 18 astronomischen Einheiten zeigt an, dass die Öffnung durch Photoverdampfung hergestellt wird, wobei Gas ionisiert und weggedrückt wird. Es zeigt sich auch, dass die Photoverdampfung im Allgemeinen tatsächlich wirksam ist, um eine Scheibe um einen jungen Stern herum zu entfernen, selbst wenn andere Prozesse vorhanden sein können (wie das Aufstapeln von Material zu Klumpen, die als viskose Akkretion bezeichnet werden).
Dieses theoretische Bild ist nicht neu, aber die vorliegende Beobachtung ist die erste, die eindeutige Beweise für diese Theorie liefert. In diesem Bild verdampfen zirkumstellare Scheiben nicht langsam aus Regionen unmittelbar neben dem Zentralstern. Stattdessen erscheint ein Loch, das so groß ist wie der Gravitationsradius des Sterns, mehr oder weniger abrupt und wird dann größer, bis die Scheibe und das Potenzial zur Bildung von Planeten verschwunden sind.
Die Rolle einer zirkumstellaren Scheibe
Ein Stern entsteht, wenn sich Gas in einer Molekülwolke sammelt. Das Gas liegt hauptsächlich in Form von molekularem Wasserstoff vor. Da Gas einen Drehimpuls hat, kann es nicht direkt auf der Oberfläche eines Sterns landen. Stattdessen bildet es eine dünne, scheibenartige Struktur um einen Stern und verliert langsam an Schwung, wenn es den Stern umkreist und der Stern ihn schließlich hineinziehen kann. Ohne eine solche „zirkumstellare Scheibe“ könnte ein Stern keine Masse sammeln seine Geburtswolke.
Neben seiner Funktion als Gasversorgung für die Sternentstehung liefert eine zirkumstellare Scheibe auch Rohstoffe für Planeten. Von der Sternentstehung übrig gebliebenes Material klebt allmählich zusammen und bildet Kieselsteine und Steine. Diese sammeln sich zu noch größeren Körpern zusammen, beispielsweise zu 100 Meter breiten Planetesimalen. All dieses Material dreht sich weiter um den Stern, während es zu immer größeren Körpern heranwächst. Wenn die Bedingungen stimmen, erzeugt dieser Akkretionsprozess schließlich einen felsigen Planeten, der der Erde ähnlich ist.
Jüngste Beobachtungsstudien an zirkumstellaren Scheiben haben die Wärmeabgabe und das gestreute Licht des festen Materials in Scheiben ausgenutzt. In den frühen Epochen der Existenz einer Scheibe machen diese Feststoffe jedoch nur etwa ein Prozent der gesamten Scheibenmasse aus. Der Rest befindet sich noch in der Gasphase und hauptsächlich in molekularer Form (wie Kohlenmonoxid). Wenn wir eine Scheibe betrachten und ihre Kohlenmonoxidkomponente anstelle ihrer Staubkörner untersuchen, sehen wir uns die Gasscheibe an, die die Hauptkomponente der Scheibe ist.
Eine zirkumstellare Scheibe existiert nur für kurze Zeit, während ihr zentraler Stern Gas von ihr sammelt. Um zu verstehen, wie sich eine Scheibe entwickelt, stellen Sie sich vor, dass die gesamte Lebensdauer des Sterns nur hundert Jahre betrug. Die zirkumstellare Scheibe würde nur drei Tage bis zu einem Monat existieren, bevor sie sich vollständig auflöst. Ein Stern hat nur eine Chance, während der relativ kurzen Lebensdauer seiner zirkumstellaren Scheibe ein Planetensystem zu bilden. Wenn die ionisierende Strahlung des Sterns verhindert, dass sich die Staubscheibe zu Planeten ansammelt, bevor sie sich auflöst, ist die Chance des Sterns, das Zentrum eines Sonnensystems zu werden, für immer verloren. Wann und wie sich eine Scheibe auflöst, hat daher direkte Konsequenzen für die Möglichkeit der Planetenbildung.
Diese Ergebnisse werden Ende 2006 oder Anfang 2007 im Astrophysical Journal veröffentlicht.
Titel der Forschungsarbeit: Innerer Rand einer in Infrarot-CO-Emissionslinien räumlich aufgelösten Molekülscheibe, M. Goto, T. Usuda, C. P. Dullemond, Th. Henning, H. Linz, B. Stecklum und H. Suto
Die Forschungsgruppe: Miwa Goto (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland) Tomonori Usuda (Subaru-Teleskop, NAOJ) C. P. Dullemong (MPIA) Th. Henning (MPIA) H. Linz (MPIA) B. Stecklum (MPIA) Hiroshi Suto (NAOJ)
Originalquelle: Subaru-Pressemitteilung
