Planeten entstehen unter Zeitdruck – James Webb zeigt warum

Das James-Webb-Weltraumteleskop zeigt, wie Winde und Jets das Gas aus jungen Planetensystemen ins All tragen.

Planeten entstehen nicht in Ruhe. Rund um junge Sterne wirbeln Gas und Staub, aus denen nach und nach neue Welten wachsen. Gleichzeitig beginnt dieses Baumaterial bereits zu verschwinden: Winde und schnelle Gasstrahlen tragen es ins All. Vor allem künftige Gasriesen stehen deshalb unter Zeitdruck. Sie müssen ihre mächtigen Hüllen aufbauen, solange ihre Geburtsumgebung noch genügend Gas enthält.

Wie schnell dieser Wettlauf abläuft, lässt sich mit dem James-Webb-Weltraumteleskop genauer beobachten. Ein internationales Team untersuchte dafür 72 junge Sternsysteme in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Im Astronomical Journal beschreiben die Forscher, wie sich Winde und Gasstrahlen rund um junge Sterne mit der Zeit verändern.

James Webb entdeckt Gasströme in fast allen jungen Systemen

Die Gasströme sind offenbar eher die Regel als die Ausnahme. In 66 von 72 untersuchten Scheiben registrierte James Webb räumlich ausgedehnte Signale von molekularem Wasserstoff oder ionisiertem Neon. Das entspricht rund 92 Prozent der Systeme.

Besonders häufig waren breite, kegelförmige Wasserstoffwinde. Das Team fand sie in 46 Systemen. Hinzu kamen in 40 Fällen schnelle, gebündelte Strahlen aus ionisiertem Neon, sogenannte Jets. 34 der 40 Systeme mit Neon-Jet besaßen zugleich einen nachweisbaren Wasserstoffwind.

In jungen Sternsystemen sind Jets besonders häufig

Besonders kräftig waren die Gasströme bei sehr jungen Sternsystemen. Dort fällt noch viel Gas und Staub aus der umgebenden Scheibe auf den Stern. In diesen frühen Phasen fanden die Astronomen Jets und molekulare Winde besonders häufig – bei den aktivsten Systemen in bis zu 80 Prozent der Fälle.

Als Ursache kommen vor allem Magnetfelder infrage. Sie können Gas aus der Scheibe erfassen und nach außen schleudern. Dabei entstehen einerseits breite Winde, andererseits schmale, schnelle Gasstrahlen. Je weiter sich ein Sternsystem entwickelt, desto schwächer werden diese Ströme.

Genau dieses zeitliche Muster hebt Uma Gorti vom SETI Institute und vom NASA Ames Research Center hervor: „Spannend an dieser Untersuchung ist, dass wir nun bei einer großen Zahl junger Systeme beobachten können, wie sich die Mechanismen verändern, die Gas aus planetenbildenden Scheiben entfernen. Der Zerfall der Scheibe setzt der Planetenbildung eine grundlegende zeitliche Grenze: Ist das Gas verschwunden, ist die Möglichkeit, gasreiche Planeten zu bilden, im Wesentlichen vorbei.“

Heiße Wasserstoffwinde verschwinden besonders früh

James Webb kann erkennen, wie heiß und stark angeregt der Wasserstoff in diesen Gasströmen ist. Ein Teil des Gases entspricht Temperaturen von etwa 4500 bis 7200 Kelvin, eine kühlere Komponente liegt bei rund 1000 Kelvin.

In älteren Sternsystemen fanden die Forscher deutlich seltener solche heißen inneren Wasserstoffwinde. Ihre Nachweisrate lag dort um bis zu 75 Prozent niedriger als die der kühleren molekularen Winde. Die besonders heißen Gasströme verschwinden also offenbar früher.

Danach verändert sich die Art, wie die Scheibe weiter Gas verliert. Wenn die dichten inneren Winde schwächer werden, kann energiereiche Strahlung des jungen Sterns tiefer in die Scheibe eindringen. Sie erhitzt das Gas dort so stark, dass es sich löst und ins All entweicht. Diesen Vorgang nennen Astronomen Photoevaporation. In weiter entwickelten Systemen treten deshalb zunehmend Winde aus einzelnen Atomen auf.

Für Gasriesen läuft die Zeit früh ab

Künftige Gasriesen setzt das unter Zeitdruck. Sie brauchen große Mengen Wasserstoff und Helium, um ihre mächtigen Atmosphären aufzubauen. Verschwindet das Gas zu früh, endet diese Wachstumsphase. „Planetenbildung ist deshalb ein Wettlauf gegen die Zeit“, bringt es Erstautor Naman Bajaj von der University of Arizona auf den Punkt.

Die häufigen molekularen Winde in jungen Systemen können zudem beeinflussen, wie sich Gas und Staub innerhalb der Scheibe verteilen. Damit bestimmen sie mit, wie schnell Planeten wachsen und welche Bahnen sie später um ihren Stern einnehmen.

Kurz zusammengefasst:

Planeten entstehen aus Gas und Staub in protoplanetaren Scheiben, doch dieses Material bleibt nur begrenzte Zeit verfügbar.
James Webb fand bei vielen jungen Sternsystemen molekulare Winde und schnelle Jets, die Gas aus den Scheiben ins All tragen.
Mit zunehmendem Alter verändern sich diese Ausströmungen: Heiße molekulare Winde und Jets werden schwächer, während atomare Winde wichtiger werden.

Übrigens: Nicht nur junge Planetensysteme verändern sich unter extremen Bedingungen – selbst Sterne können wiederholte Begegnungen mit einem Schwarzen Loch überstehen und dabei immer schwächere Lichtausbrüche erzeugen. Warum die Eigenrotation des Sterns dabei eine wichtige Rolle spielen könnte, mehr dazu in unserem Artikel.