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Sterneruption macht Schneegrenze von Wasser sichtbar

Geschrieben am 13.07.2016 in Kategorie: Astronomie

Zum ersten Mal gelang es Wissenschaftlern, die sogenannte Schneegrenze von Wasser innerhalb einer protoplanetaren Scheibe sichtbar abzubilden. Diese Linie kennzeichnet den Abstand, ab dem die Temperatur in der Scheibe um einen jungen Stern so weit gesunken ist, dass sich Schnee bilden kann. Eine dramatische Zunahme der Helligkeit des jungen Sterns V883 Orionis hat den inneren Bereich der Scheibe schlagartig erwärmt, so dass die Wasserschneegrenze deutlich weiter nach außen verschoben wurde, als es für einen Protostern eigentlich üblich ist. Aus diesem Grund war es den Wissenschaftlern mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) möglich, die Grenze zum ersten Mal zu beobachten. Die Ergebnisse werden am 14. Juli 2016 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Junge Sterne sind oftmals von dichten, rotierenden Scheiben aus Gas und Staub umgeben, die als protoplanetare Scheibe bezeichnet werden und aus denen sich Planeten bilden. Durch die Wärme eines typischen jungen sonnenähnlichen Sterns ist sämtliches Wasser innerhalb der protoplanetaren Scheibe bis zu einer Entfernung von etwa 3 Astronomischen Einheiten (AE) vom Stern gasförmig – das entspricht etwa dem Dreifachen der durchschnittlichen Entfernung zwischen Erde und Sonne, also etwa 450 Millionen Kilometer. Weiter außen findet durch den extrem niedrigen Druck ein direkter Übergang der Wassermoleküle vom gasförmigen in den festen Zustand statt, so dass sich eine dünne Schicht aus Eis auf Staubkörnern und anderen Partikeln bildet. Der Bereich in der protoplanetaren Scheibe, in dem Wasser vom gasförmigen in den festen Zustand übergeht, wird als Wasserschneegrenze bezeichnet.

Der Stern V883 Orionis hingegen ist ungewöhnlich. Durch eine dramatische Zunahme der Helligkeit hat sich die Wasserschneegrenze bis zu einer Entfernung von etwa 40 AE nach außen verschoben (das entspricht etwa 6 Milliarden Kilometern oder ungefähr dem Radius der Umlaufbahn des Zwergplaneten Pluto in unserem Sonnensystem). Ohne diese enorme Helligkeitsänderung und die hohe Auflösung, die ALMA mit langen Basislinien bietet, wäre es dem Team unter der Leitung von Lucas Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus und Universidad Diego Portales, Santiago de Chile) nicht gelungen, zum ersten Mal die Schneegrenze von Wasser in einer protoplanetaren Scheibe abzubilden.

Die plötzliche Helligkeitszunahme, die V883 Orionis widerfahren ist, ist ein Beispiel dafür, was passiert, wenn große Mengen Materie aus der Scheibe um einen jungen Stern auf seine Oberfläche fallen. V883 Orionis ist nur um etwa 30% massereicher als die Sonne, und dank der Eruption, die der Stern erlebt, ist er derzeit jedoch erstaunliche 400 Mal leuchtkräftiger – und deutlich heißer.

Erstautor Cieza erläutert: „Die ALMA-Beobachtungen haben uns überrascht. Das Ziel unserer Beobachtungen war eigentlich nach Fragmentierungen der Scheibe zu suchen, die zu Planetenentstehung führen. Wir haben nichts davon gesehen; stattdessen fanden wir etwas in einer Entfernung von 40 AU vom Stern, das wie ein Ring aussah. Das macht deutlich, wie vielfältig die Einsatzmöglichkeiten für ALMA sind und dass es uns auch dann hochinteressante Ergebnisse liefern kann, wenn wir eigentlich nach etwas Anderem suchen.“

Für die Planetenentstehung ist der Schnee im Weltraum eine grundlegende Voraussetzung. Das Wassereis sorgt dafür, dass die Staubkörner schneller zusammenballen und zu größeren Objekten heranwachsen können – diese sogenannte Koagulation stellt die erste Phase der Planetenentstehung dar. Man geht davon aus, dass sich innerhalb der Schneelinie, wo Wasser gasförmig ist, Gesteinsplaneten bilden. Jenseits der Schneegrenze fördert das Wassereis die schnelle Bildung solch kosmischer Schneebälle, aus denen irgendwann einmal weitaus massereichere Gasplaneten wie Jupiter entstehen.

Die Entdeckung, dass diese Eruption die Wasserschneegrenze auf etwa das Zehnfache des üblichen Radius verschoben hat, ist für die Entwicklung geeigneter Modelle, mit denen die Planetenentstehung beschrieben werden soll, von großer Bedeutung. Man geht davon aus, dass solche Eruptionen eine Phase in der Entwicklung der meisten Planetensysteme darstellen, demzufolge könnte es sich hierbei um die erste Beobachtung eines durchaus weit verbreiteten Ereignisses handeln. In diesem Fall könnten die ALMA-Beobachtungen einen entscheidenden Beitrag für das bessere Verständnis darüber liefern, wie Planeten im Universum entstehen und sich entwickeln.

Quelle

ESO - Europäische Südsternwarte
Die "Europäische Organisation für astronomische Forschung in der südlichen Hemisphäre" oder auch kurz "Europäische Südsternwarte" ist ein Forschungsinstitut mit verschiedenen Observatorien.

Webseite: https://www.eso.org

Künstlerische Darstellung der Wasserschneegrenze um den jungen Stern V883 Orionis
Künstlerische Darstellung der Wasserschneegrenze um den jungen Stern V883 Orionis, wie sie von ALMA beobachtet wurde.
© A. Angelich (NRAO / AUI / NSF) / ALMA (ESO / NAOJ / NRAO)
ALMA-Aufnahme der protoplanetaren Scheibe um V883 Orionis
Dieses Bild der protoplanetaren Scheibe um den jungen Stern V883 Orionis wurde mit ALMA im Modus langer Basislinien aufgenommen. Durch die Eruption des Sterns wurde die Schneegrenze von Wasser weiter vom Stern weg nach außen verschoben, sodass sie zum ersten Mal beobachtet werden konnte. Der dunkle Ring in der Mitte der Scheibe stellt die Wasserschneegrenze dar, also den Punkt, ab dem die Temperatur und der Druck tief genug sind, so dass sich Wassereis bilden kann.
© ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / L. Cieza
ALMA-Aufnahme der protoplanetaren Scheibe um V883 Orionis (beschriftet)
Dieses Bild der protoplanetaren Scheibe um den jungen Stern V883 Orionis wurde mit ALMA im Modus langer Basislinien aufgenommen. Durch die Eruption des Sterns wurde die Schneegrenze von Wasser weiter vom Stern weg nach außen verschoben, sodass sie zum ersten Mal beobachtet werden konnte. Der dunkle Ring in der Mitte der Schiebe stellt die Wasserschneegrenze dar, also den Punkt, ab dem die Temperatur und der Druck tief genug sind, so dass sich Wassereis bilden kann. Die Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter in unserem Sonnensystem sind zum Vergleich eingezeichnet.
© ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / L. Cieza
Verschobene Wasserschneegrenze in V883 Orionis
Diese Darstellung zeigt, wie die Eruption des jungen Sterns V883 Orionis die Schneegrenze von Wasser deutlich weiter vom Stern wegverschoben hat, so dass sie für ALMA beobachtbar wurde.
© ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / L. Cieza
Der Stern V883 Orionis im Sternbild Orion
Diese Aufsuchkarte zeigt die Position des jungen Sterns V883 Orionis im berühmten Sternbild Orion. Die meisten Sterne, die in einer klaren dunklen Nacht mit dem bloßen Auge zu erkennen sind, sind eingezeichnet. Die Position von V883 Orionis ist mit einem roten Kreis gekennzeichnet. Dieser Stern ist sehr lichtschwach, weshalb es eines Amateur-Teleskops bedarf, um ihn beobachten zu können. Am Himmel ist er direkt neben dem physikalisch dazugehörigen riesigen und hellen Orionnebel im Nordwesten zu sehen.
© ESO / IAU and Sky & Telescope

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