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Das junge Planetensystem bei Beta Pictoris

Beta Pictoris ist ein junger, heißer Stern der Spektralklasse A im Sternbild Pictor (Maler) und fast doppelt so massereich wie die Sonne. Im Jahre 1983 entdeckte das von den USA, Großbritannien und den Niederlanden gemeinsam entwickelte Infrarotteleskop IRAS eine Gas- und Staubscheibe um den 62 Lichtjahre entfernten Stern. Ein Jahr später gelang es diese Scheibe auch direkt zu fotografieren. 

Gas- und Staubscheiben um junge Sterne, das entsprach genau der Vorhersage der gängigen Theorie über die Entstehung von Planeten bei Sternen, und nun hatte man tatsächlich so eine Scheibe gefunden.

Infrarotaufnahme der Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Quelle: IRAS-NASA 

Beta Pictoris war damit das erste in der Entstehung begriffene extrasolare Planetensystem, das jemals entdeckt wurde! 

Die  Theorie über die Planetenenstehung, welche in ihren Grundzügen schon durch den Philosophen Immanuel Kant (1724-1804) im 18. Jahrhundert (!) formuliert wurde, geht davon aus, daß  Planeten eine allgemeine Begleiterscheinung  der Sternentstehung sind:

Eine interstellare Wolke aus Gas (99%) und Staub (1%) mit einem Durchmesser von etwa einem Lichtjahr kollabiert unter dem Einfluß ihrer eigenen Schwerkraft und gerät dabei in Rotation. Wegen der Erhaltung des Drehimpulses dreht sich die Wolke immer schneller und flacht infolge der Rotation zu einer Scheibe ab. Das Zentrum verdichtet sich immer weiter bis  Dichte und Temperatur so hoch sind, daß ein Stern entsteht, in dessen Innerem energieliefernde Kernverschmelzungsprozesse starten. Der Hauptdrehimpuls verbleibt in der Gas- und Staubscheibe. Wenn sich diese sogenannte protoplanetare Scheibe langsam abkühlt, kommt es zu Kondensationsvorgängen an den vielen, als Kondensationskerne wirkenden Staubteilchen. Diese werden dadurch immer größer und sammeln sich in der Scheibenebene, sowohl unter dem Einfluß der Schwerkraft als auch wegen der Bremswirkung durch das Gas in der protoplanetaren Scheibe. Dicht gedrängt in der Scheibenebene begegnen sich die Staubteilchen immer häufiger, um aneinander haften zu bleiben. Das Wachstum der Staubteilchen beschleunigt sich dementsprechend, und es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.

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Planetenentstehung aus einer Gas- und Staubscheibe, der sogenannten protoplanetaren Scheibe.  Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml

In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach außen abnimmt, kondensieren im inneren, heißen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate, und bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auskondensieren. 1 Astronomische Einheit (AE) entspricht dabei der Entfernung Erde – Sonne (150 Millionen km). Die Planetesimale sind bald groß genug um weitere Materie anzusammeln. Die Größeren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stoßen aufeinander und zerfallen wieder, oder aber sie werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äußeren Ring, den Kuiper – Gürtel. Manche stürzen allerdings auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen hier dementsprechend größere Planetesimale, welche wiederum auch mehr Material einsammeln können. Diese sehr großen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen auch erhebliche Mengen Gas an, wodurch die sogenannten Gasriesen (wie Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem) entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas, denn das kann hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensieren. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die dabei so heiß werden, daß sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate dagegen den Mantel und die Kruste (erdähnliche Planeten). Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder auch mehrere Asteroidengürtel.

Bei Beta Pictoris passt alles zu dieser Theorie. Die protoplanetare Scheibe  hat einen Radius von 400 AE (1 AE=150 Millionen km, mittlerer Abstand Erde-Sonne) und ist im inneren Bereich an mehreren Stellen verbogen. Dort sind die Staubpartikel außerdem kleiner und wärmer als woanders in der Scheibe.

Infrarotaufnahme mit den drei Bereichen (A, B und C), wo die protoplanetare Scheibe von Beta Pictoris verbogen ist. Bei A wurde inzwischen ein großer Planet gefunden. Quelle: http://keckobservatory.org/

Vermutlich gibt es hier Planeten, die mit ihrem Schwerefeld Felsbrocken an sich ziehen. Diese prallen dann vermehrt aufeinander und zerbröseln dabei zu kleinen Staubkörnern, die sich besonders schnell durch die Strahlung des Sterns erwärmen. Ein weiterer Hinweis auf Planeten ist die Entdeckung einer zweiten Scheibe, die gegenüber der Hauptscheibe um 4° geneigt ist. Diese zweite Gas- und Staubscheibe formte sich möglicherweise in der Bahnebene eines großen umlaufenden Planeten.

Zwei Gas- und Staubscheiben um Beta Pictoris. Die zweite Scheibe markiert die Umlaufbahn des inzwischen tatsächlich entdeckten großen Planeten. Quelle: http://hubblesite.org/

Inzwischen konnte tatsächlich einer der vermuteten Planeten um Beta Pictoris gefunden werden und zwar auf recht spektakuläre Weise:

Im Jahre 2003 entdeckte ein  Team französischer Astronomen um Anne-Marie Lagrange mit dem Very Large Telescope VLT (8,2m Spiegeldurchmesser) des European Southern Observatory (ESO) ein schwach leuchtendes Objekt innerhalb der protoplanetaren Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Es konnte ein Planet sein, aber vielleicht auch nur ein Hintergrundstern.

Als man im Jahre 2008 und im Frühjahr 2009 erneut die Scheibe um Beta Pictoris fotografierte, war das Objekt aber verschwunden. Doch im Herbst 2009 war es dann plötzlich wieder da und zwar auf der genau gegenüberliegenden Seite der protoplanetaren Scheibe!

Der neuentdeckte Planet in der Gas- und Staubscheibe bei Beta Pictoris im Herbst 2009. Der Stern ist ausgeblendet, da er ansonsten den vergleichsweise lichtschwachen Planeten hoffnungslos überstrahlen würde. Quelle:  http://www.eso.org/

Damit war klar, daß es sich um einen Planeten handelte. Dieser war zunächst im Jahre 2003 neben Beta Pictoris in der Scheibe gut sichtbar gewesen, dann zwischenzeitlich dem Stern so nahe gekommen, daß er überstrahlt wurde -wobei er entweder vor oder hinter dem Stern stand – und dann schließlich im Herbst 2009 genau gegenüber auf der anderen Seite des Sterns in der Scheibe wieder aufgetaucht. Die Beobachtungen erlaubten Rückschlüsse auf die Umlaufbahn dieses Planeten. Dieser umrundet Beta Pictoris einmal in 15-20 Jahren in einer Entfernung, die mit der des Planeten Saturn zu unserer Sonne vergleichbar ist.

Die Positionen des neu entdeckten Planeten bei Beta Pictoris in den Jahren 2003 und 2009. Erstmals wurde ein extrasolarer Planet beim Umrunden seines Sterns direkt beobachtet! Quelle: http://www.eso.org/

Aus der Deformation der Gas- und Staubscheibe läßt sich auch seine Masse abschätzen. Der Planet ist danach etwa 9 mal so schwer wie der größte Planet unseres Sonnensystems, der Gasriese Jupiter (~9 M Jup). Wegen seiner gewaltigen Masse und seiner weiten Entfernung zum Stern, die eindeutig  jenseits der „Scheegrenze“ in der protoplanetaren Scheibe liegt, kann es sich ebenfalls nur um einen Gasriesen handeln. Dieser muß sich in erstaunlich kurzer  Zeit gebildet haben, denn der junge Stern Beta-Pictoris ist erst 12 Millionen Jahre alt. Das ist sehr wenig im Vergleich zu unserer Sonne mit einem Alter von immerhin schon 4,5 Milliarden Jahren. Die Bildung von Gasriesen scheint demnach sehr einfach und dürfte die Regel sein, falls  ausreichend Material in der protoplanetaren Scheibe vorhanden ist.

Zum Schluß noch der Hinweis auf eine Besonderheit des Beta-Pictoris-Systems:

Die protoplanetare Scheibe um Beta Pictoris enthält extrem hohe Mengen an Kohlenstoff. Das könnte bedeuten, daß mögliche Felsplaneten und -monde bei Beta-Pictoris (neben einem Eisen-Nickel-Kern) nicht hauptsächlich aus Silikatgesteinen bestehen wie das in unserem Sonnensystem der Fall ist, sondern hauptsächlich aus Kohlenstoffverbindungen wie Graphit, Carbid und Diamant. In den äußeren kalten Regionen des Planetensystems käme vielleicht noch superhart gefrorenes Wassereis hinzu.

Felsplaneten und -monde aus Kohlenstoff anstatt aus Silikaten im Beta-Pictoris-System? Kohlenstoffplaneten (kleines Bild unten) böten ein vollkommen anderes Erscheinungsbild als Silikatplaneten ähnlich der Erde (kleines Bild oben). Quelle: http://www.nasa.gov/

Die Atmosphären dieser exotischen Planeten würden wahrscheinlich vorwiegend Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Mehan (CH4) und vielleicht auch Stickstoff (N2) enthalten. Sogar einen Flüssigkeitskreislauf mit Seen, Flüssen, Meeren, Wolken und Niederschlägen könnte es geben, möglicherweise aber nicht mit Wasser (H2O), sondern mit flüssigen Kohlenwasserstoffen (CnHn). Das wäre in etwa vergleichbar mit den Verhältnissen auf dem Saturnmond Titan in unserem Sonnensystem.

Jens Christian Heuer

Quellen: ESO, NASA

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