Hubble entdeckt einen Protoplaneten, der Modelle der Planetenentstehung auf den Kopf stellen könnte

Das Hubble-Weltraumteleskop der NASA hat direkte Beweise für die Entstehung eines jupiterähnlichen Protoplaneten durch einen „intensiven und heftigen Prozess“ abgebildet, den Forscher beschreiben. Diese Entdeckung stützt eine lange diskutierte Theorie über die Entstehung von Planeten wie Jupiter, die als „Scheibeninstabilität“ bezeichnet wird.

Die im Bau befindliche neue Welt ist eingebettet in eine protoplanetare Scheibe aus Staub und Gas mit einer markanten Spiralstruktur, die sie umkreist und einen jungen Stern umgibt, der auf ein Alter von etwa zwei Millionen Jahren geschätzt wird. Das war ungefähr das Alter unseres Sonnensystems, als die Planetenentstehung im Gange war. (Das Sonnensystem ist derzeit 4,6 Milliarden Jahre alt.)

„Die Natur ist intelligent, sie kann Planeten auf viele verschiedene Arten hervorbringen“, sagt Thayne Currie vom Subaru Telescope und Eureka Scientific, die Hauptautorin der Studie.

Alle Planeten bestehen aus Material, das aus einer Sternscheibe stammt. Die vorherrschende Theorie der Jupiter-Planetenbildung wird als „Kernakkretion“ bezeichnet, ein Bottom-up-Ansatz, bei dem in die Scheibe eingebettete Planeten aus winzigen Körpern wachsen – deren Größe von Staubkörnern bis zu Felsen reicht – und kollidieren und zusammenkleben, während sie a umkreisen Stern. Dieser gasförmige Kern sammelt sich dann langsam aus der Scheibe. Im Gegensatz dazu ist der Ansatz der Scheibeninstabilität ein Top-Down-Modell, bei dem die Schwerkraft beim Abkühlen einer massiven Scheibe um einen Stern dazu führt, dass sich die Scheibe schnell in ein oder mehrere Fragmente der Masse des Planeten auflöst.

Der neu entstandene Planet mit dem Namen AB Aurigae b ist wahrscheinlich etwa neunmal größer als Jupiter und umkreist seinen Mutterstern in satten 8,6 Milliarden Meilen Entfernung – mehr als doppelt so weit wie Pluto von unserer Sonne entfernt. In dieser Entfernung würde es sehr lange dauern, bis sich ein Planet von der Größe des Jupiters durch primäre Akkretion gebildet hätte. Daraus schließen die Forscher, dass die Instabilität der Scheibe die Entstehung dieses Planeten in so großer Entfernung ermöglicht hat. Es steht in krassem Gegensatz zu den Vorhersagen der Planetenbildung durch das weithin akzeptierte Kernakkretionsmodell.

Die neue Analyse kombiniert Daten von zwei Hubble-Instrumenten: dem Bildspektrometer des Weltraumteleskops und der Nahinfrarotkamera und dem Multi-Objekt-Spektrographen. Diese Daten wurden mit denen verglichen, die vom neuesten planetaren Bildgebungsinstrument namens SCExAO auf Japans 8,2-Meter-Subaru-Teleskop auf dem Gipfel des Mauna Kea, Hawaii, erhalten wurden. Die Fülle an Daten von weltraum- und bodengebundenen Teleskopen hat sich als entscheidend erwiesen, weil es sehr schwierig ist, kleinere Planeten von komplexen Scheibeneigenschaften zu unterscheiden, die nichts mit Planeten zu tun haben.

„Die Erklärung dieses Systems ist sehr schwierig“, sagte Corey. „Das ist einer der Gründe, warum wir Hubble für dieses Projekt brauchen – ein sauberes Bild, um Licht besser von der Scheibe und jedem Planeten zu trennen.“

Auch die Natur selbst leistete Hilfestellung: Die massive Scheibe aus Staub und Gas, die den Stern AB Aurigae umkreist, neigte sich fast frontal in unsere Sicht von der Erde.

Curie betonte, dass die Langlebigkeit von Hubble eine besondere Rolle bei der Unterstützung der Forscher bei der Vermessung der Umlaufbahn des Protoplaneten gespielt habe. Er war ursprünglich sehr skeptisch, ob AB Aurigae b ein Planet sei. Archivdaten von Hubble, kombiniert mit Bildgebung von Subaru, erwiesen sich als Wendepunkt in seinem Sinneswandel.

„Wir konnten diese Bewegung seit ein oder zwei Jahren nicht mehr feststellen“, sagte Corey. „Hubble lieferte zusammen mit den Subaru-Daten eine Zeitbasis von 13 Jahren, was ausreichte, um Umlaufbahnbewegungen erkennen zu können.“

„Dieses Ergebnis verbessert bodengestützte und weltraumgestützte Beobachtungen, und wir werden mit archivierten Hubble-Beobachtungen in der Zeit zurückgehen“, fügte Olivier Guyon von der University of Arizona, Tucson, und dem Subaru Telescope, Hawaii, hinzu. „AB Aurigae b wurde nun bei mehreren Wellenlängen betrachtet, und es entstand ein konsistentes Bild – ein sehr solides Bild.“

Die Ergebnisse des Teams wurden in der Ausgabe vom 4. April veröffentlicht natürliche Astronomie.

„Diese neue Entdeckung ist ein starker Beweis dafür, dass sich einige Gasriesenplaneten durch den Mechanismus der Scheibeninstabilität bilden können“, sagte Alan Buss von der Carnegie Institution for Science in Washington, DC. „Letztendlich ist die Schwerkraft alles, was zählt, da die Überreste des Sternentstehungsprozesses durch die Schwerkraft zusammenkommen werden, um auf die eine oder andere Weise Planeten zu bilden.“

Das Verständnis der frühen Tage der Entstehung jupiterähnlicher Planeten bietet Astronomen einen größeren Kontext in der Geschichte unseres Sonnensystems. Diese Entdeckung ebnet den Weg für zukünftige Studien der chemischen Zusammensetzung von protoplanetaren Scheiben wie AB Aurigae, einschließlich des James Webb Space Telescope der NASA.