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Entstehung erdähnlicher Planeten wahrscheinlich
26. November 2004, Ingo Froeschmann. Die Suche nach erdähnlichen Planeten um andere Sterne, das derzeit vielleicht spannendste astrophysikalische Thema, hat aufgrund neuer Spektralbeobachtungen durch das MIDI (Instrument für Interferometrie im mittleren Infrarotbereich) des VLT (Very Large Telescope) in Chile weiteren Auftrieb bekommen.

Künstlerische Darstellung eines jungen Sonnensystems (Quelle: NASA)
Wie das Wissenschaftsmagazin Nature in der aktuellen Ausgabe berichtet, hat ein internationales Team von Astronomen einzigartige Infrarotspektren der inneren Bereiche dreier protoplanetarischer Scheiben beobachten können. Astronomen nehmen an, dass unser Sonnensystem vor 4,5 Milliarden Jahren aus einer ähnlichen Staubscheibe entstanden ist.

Unsere Sonne bildete sich aus einer riesigen kalten Wolke von interstellarem Gas und Staub, die schließlich unter ihrer eigenen Masse kollabierte. Den jungen Stern umgab eine staubige Scheibe, in der später die Erde und die anderen Planeten, Kometen und Asteroiden entstanden.

Diese Epoche ist längst vergangen, aber wir können die gleichen Prozesse beobachten, indem wir Infrarotstrahlung von sehr jungen Sternen und den sie umgebenden protoplanetarischen Scheiben untersuchen. Bisher erlaubten die verfügbaren Instrumente jedoch nicht, die verschiedenen Bestandteile dieser Staubpartikel zu bestimmen. Selbst die nächstgelegenen der bisher bekannten Staubscheiben waren zu weit entfernt, so das selbst die besten Teleskope sie nicht auflösen konnten. Doch nun konnte Francesco Paresce, Projektwissenschaftler für das VLT Interferometer (VLTI) und Mitglied des Teams der Europäischen Südsternwarte von einem Durchbruch berichten: „Mit dem VLTI können wir Licht zweier voneinander entfernter großer Teleskope kombinieren und eine bisher unerreichte Winkelauflösung bekommen. Das hat es uns zum ersten Mal ermöglicht direkt in die innersten Bereiche der Scheiben um junge Sterne zu blicken, genau dorthin, wo wir die Entstehung von erdähnlichen Planeten erwarten.

Insbesondere neue Beobachtungen von drei jungen Sternen mit der kombinierten Sehstärke von zwei einige hundert Meter voneinander entfernter 8,2 Meter Teleskope haben die Astronomen weiter gebracht. Die Beobachtungen erreichten eine ausreichende Schärfe (etwa 0,02 Bogensekunden) um die Infrarotemissionen aus den inneren Regionen der Staubscheiben (diese entsprechen etwa der Größe des Erdorbits um die Sonne), sowie aus den äußeren Regionen zu messen. Die Infrarotspektren lieferten wichtige Informationen über die Zusammensetzung des Staubs und über die durchschnittliche Größe der Staubteilchen.

Diese bahnbrechenden Beobachtungen zeigen, dass das Innere dieser Scheiben sehr reich an kristallisierten Silikatkörnchen (also „Sand“) ist, deren Durchmesser etwa 0,001 Millimeter beträgt. Sie entstanden durch Verklumpung aus viel kleineren, nicht kristallinen Staubteilchen, die in der interstellaren Staubwolke, die den Stern entstehen ließ, weit verbreitet waren.

Modellrechnungen zeigen, dass diese kristallisierte Körnchen zur Zeit der Entstehung der Erde im Überfluss vorhanden sein mussten. In der Tat bestehen die Meteoriten unseres Sonnensystems hauptsächlich aus diesen Silikaten.

Der niederländische Astronom Rens Waters vom Astronomischen Institut der Universität Amsterdam ist enthusiastisch: „Mit den vorhandenen Zutaten und der bereits erfolgten Entstehung von größeren Körnchen, ist die Bildung von immer größeren Brocken bis hin zu Planeten von erdgröße fast unvermeidbar.“

Seit geraumer Zeit ist bekannt, dass ein Großteil des Staubs in protoplanetarischen Scheiben aus Silikaten besteht. Vor der Geburt des Sterns ist der Staub noch amorph, das heißt, dass die Atome und Moleküle, aus denen der Staub besteht, chaotisch und flockig angeordnet sind und nur etwa 0,0001 Millimeter groß sind. In der Nähe junger Sterne ist die Temperatur und Dichte jedoch hoch, dort neigen die Staubteilchen dazu, zusammenzukleben und dadurch größer zu werden. Zudem wird der Staub durch die Strahlung des Sterns aufgeheizt, wodurch sich die Moleküle im Staub verändern und sich in geometrischen, also kristallinen, Mustern anordnen.

Der Staub in den sternnahen Scheibenregionen wird also schnell von seinem „ursprünglichen“ amorphen Zustand zu größeren Kristallkörnern „verarbeitet“.

Spektralbeobachtungen des Staubs im mittleren Infrarotbereich um die 10 Mikrometer zeigen, ob es sich um „ursprünglichen“ oder bereits „verarbeiteten“ Staub handelt. Frühere Beobachtungen von Staubscheiben um junge Sterne haben eine Mischung dieser beiden Zustände gezeigt, aber es war nicht möglich gewesen zu bestimmen, in welcher Region der Scheibe sich die jeweiligen Staubpartikel befanden.

Dank der hundertfachen Verbesserung der Winkelauflösung durch das VLTI und das MIDI Instrument gibt es jetzt detaillierte Spektren von verschiedenen Regionen innerhalb der protoplanetarischen Scheiben von drei jungen Sternen. Bei zwei Sternen (HD 144432 und HD 163296) ist der Staub im inneren Bereich der Scheibe bereits zu einem guten Teil umgewandelt, während die äußeren Bereiche noch ursprünglich sind. Im Fall des dritten Sterns (HD 142527) ist  Staub in der gesamten Scheibe umgewandelt. In der Zentralregion dieser Scheibe ist der Staub zu einem sehr großen Teil umgewandelt und vollständig kristallin.

Eine wichtige Schlussfolgerung der VLTI Beobachtungen ist daher, dass sich die Bausteine für erdähnliche Planeten bereits von Beginn an in den protoplanetarischen Scheiben befinden. Das ist von großer Wichtigkeit, da es darauf hindeutet, dass terrestrische, felsige Planeten auch außerhalb unseres eigenen Sonnensystems höchstwahrscheinlich recht häufig vorkommen.

Die Untersuchung von Kometen

Die durchgeführten Beobachtungen haben Einfluss auf die Kometenforschung. Einige, vielleicht sogar alle Kometen unseres Sonnensystems enthalten beide Zustände, amorph und kristallin. Kometen entstanden mit Sicherheit in großen Entfernungen zur Sonne in den äußeren Regionen des Sonnensystems, wo es immer sehr kalt gewesen ist. Es ist also nicht klar, wie kristalline Staubkörner in die Kometen gekommen sind.

In einer Theorie wird der kristallisierte Staub durch Turbulenzen, die von der jungen Sonne ausgehen, in die äußeren Bereiche des Sonnensystems transportiert. Andere Theorien erklären den kristallinen Staub in Kometen mit einer lokalen Entstehung über wesentlich längere Zeiträume,vielleicht durch Schockwellen oder Blitzschläge in der Scheibe, oder sogar durch häufige Kollisionen größerer Brocken.

Die an der Studie beteiligten Astronomen sind der Meinung, dass die erste Theorie die wahrscheinlichste Erklärung für kristallinen Staub in Kometen darstellt. Diese Aussage bedeutet auch, dass Kometen mit langen Umlaufzeiten, die sich meist in den entlegenen Gebieten des Sonnensystems befinden und uns nur gelegentlich einen Besuch abstatten, wirklich ursprüngliche Körper aus einer Zeit sind, zu der die Erde und die anderen Planeten noch nicht existierten.

Untersuchungen von Kometen, besonders wenn sie vor Ort vorgenommen werden, sollten also einen direkten Zugriff auf jenes Material liefern, aus dem das Sonnensystem geformt wurde
Quelle: ESO News Release zur Startseite...
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