Forscher lösen uraltes Rätsel: Wie Planeten tatsächlich entstehen

Neue Planetensysteme bilden sich aus Gas und Staub. Früh in diesem Prozess entsteht um einen jungen Stern eine rotierende, sogenannte proplanetare Scheibe. In ihr sammelt sich das Material, aus dem später Planeten hervorgehen. Lange galt der Übergang vom einströmenden Gas zur Scheibe als klar abgegrenzt.

Neue Messungen der Universität Innsbruck belegen nun präziser, wie Planeten entstehen: Zwischen der äußeren Gashülle und der Scheibe liegt eine eigene Zone, in der sich die Bewegung des Materials Schritt für Schritt verändert. Hinweise darauf liefert das junge Sternsystem L1527 IRS. Dort ließ sich erstmals ein Bereich nachweisen, in dem das einfallende Material langsamer wird und in stabile Umlaufbahnen übergeht. Die Untersuchung erschien im Astrophysical Journal.

Wie Planeten entstehen – und warum der Übergang so wichtig ist

Der Raum zwischen der einströmenden Gashülle und der rotierenden Scheibe war für Astronomen lange kaum greifbar. Dort verändert sich die Bewegung des Materials. Aus dem nach innen fallenden Gas wird kein fertiges System auf einen Schlag, sondern es ordnet sich Stück für Stück neu. Die Forscher sprechen von einer Übergangszone zwischen Hülle und Scheibe („Envelope–Disk Transition Zone“, kurz ENDTRANZ).

„Wir sehen hier erstmals im Detail, wie sich aus einströmendem Material eine geordnete Scheibenstruktur entwickelt“, sagt der Astrophysiker Eduard Vorobyov. Der Wechsel ist alles andere als abrupt, denn das Gas passt seine Geschwindigkeit und Richtung allmählich an. Erst dadurch entsteht die rotierende Scheibe, in der später Planeten wachsen können.

Ein junges Sternsystem zeigt den Prozess erstmals klar

Beim Stern L1527 IRS wird das gut sichtbar. Das System liegt rund 450 Lichtjahre von der Erde entfernt. Seine Scheibe erstreckt sich über etwa 70 Astronomische Einheiten, was einer Distanz von ca. 10,5 Milliarden Kilometern entspricht.

In einem Bereich zwischen etwa 66,8 und 82,3 Astronomischen Einheiten fällt eine Besonderheit auf: Die Zone ist rund 16 Astronomische Einheiten breit. Dort verändert sich der sogenannte spezifische Drehimpuls sprunghaft. Hier geht das einfallende Gas in die Rotation der Scheibe über.

Messdaten zeigen Details bis auf wenige Astronomische Einheiten

Die Beobachtungen reichen außergewöhnlich tief ins System hinein. Die Auflösung liegt bei etwa 0,1 Bogensekunden, also rund 14 Astronomischen Einheiten. In den ausgewerteten Karten lassen sich Strukturen sogar bis auf etwa 2,1 Astronomische Einheiten unterscheiden.

Auch die Bewegung des Gases lässt sich genau verfolgen. Die Messungen erfassen Geschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von 0,17 Kilometern pro Sekunde. Das Signal bleibt stabil genug, um den Übergang sauber von der Umgebung zu trennen.

Neben den Messungen flossen auch Simulationen in die Auswertung ein. Ausgangspunkt war dabei eine große Gaswolke mit etwa so viel Masse wie unsere Sonne. Daraus bildet sich im Modell nach rund 22.000 Jahren eine erste Scheibe um den jungen Stern. In den folgenden Zehntausenden Jahren wächst sie weiter und erreicht schließlich eine Größe von etwa 100 Astronomischen Einheiten.

Gravitation verteilt das Material im System neu

Innerhalb der entstehenden Scheibe wirkt vor allem die Gravitation. Sie verschiebt den Drehimpuls innerhalb des Systems. Im äußeren Teil der Übergangszone nimmt das Gas den Drehimpuls auf – weiter innen wird er wieder abgegeben. So bewegt sich Material schrittweise nach innen in Richtung Stern.

ENDTRANZ entsteht durch die Umverteilung von Masse und Drehimpuls, erklärt Astrophysikerin Indrani Das. Dabei wird einströmendes Material schrittweise Teil der rotierenden Scheibe. Das Gas verändert seine Bewegung dabei nach und nach.

Frühere Modelle treffen den Ablauf nur teilweise

Viele Modelle gehen davon aus, dass das einfallende Gas schon auf halbem Weg zur Scheibe stark abgebremst wird.
Danach soll es sich erst neu ordnen und in die rotierende Scheibe übergehen.

Die neuen Berechnungen fallen anders aus. Der Übergang zieht sich über einen breiteren Bereich. Das Gas wird also nicht an einer einzelnen Grenze abrupt gebremst. Es verliert Schritt für Schritt an Geschwindigkeit. Innerhalb dieser Zone sinkt das Tempo um etwa 70 bis 90 Prozent. Dieser Abschnitt prägt, wie sich Masse im System verteilt und wie sich die spätere Struktur der Scheibe entwickelt.

Kurz zusammengefasst:

• Neue Daten zeigen, wie Planeten entstehen: Zwischen einfallendem Gas und Scheibe liegt eine Übergangszone, in der sich das Material Schritt für Schritt neu ordnet.
• Beim Stern L1527 IRS wurde dieser Bereich erstmals gemessen: Das Gas wird dort deutlich langsamer und geht über eine Zone von etwa 16 Astronomischen Einheiten in die Rotation über.
• Anders als lange angenommen erfolgt der Übergang nicht abrupt: Das Gas verliert in dieser Zone bis zu 70–90 Prozent seiner Geschwindigkeit, bevor es Teil der Scheibe wird.

Übrigens: Während Forscher klären, wie Planeten entstehen, gibt es auch Fälle, in denen solche Systeme wieder auseinanderbrechen – ein Gasriese wurde aus seinem System geschleudert und treibt nun allein durch die Milchstraße. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: Indrani Das/ASIAA