Heißer Staub um junge Sterne

Hochauflösende ALMA-Beobachtungen des Systems IRAS 16293-2422 zeigen lokalisierte heiße Bereiche im Staub rund um das junge Sternsystem. Eine Studie, geleitet vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), zeigt, dass diese „Hot Spots“ höchstwahrscheinlich nicht auf die Strahlung der Protosterne sondern auf lokale Schocks zurückzuführen sind, die durch schnelle Gasbewegungen verursacht werden. Die in Schockfronten erzeugte Wärme sollte daher einen wichtigen Faktor darstellen in den frühen Stadien der Entwicklung von Protosternen und den planetaren Scheiben um sie herum. Solche Schocks könnten durch die lokale Akkretion von Materie aus der umgebenden Hülle oder durch lokale Fragmentierung aufgrund von Gravitationsinstabilitäten verursacht werden.

Astronomen untersuchen die Umgebung von Protosternen nicht nur, um mehr über die Sternentstehung im Allgemeinen zu erfahren, sondern auch um die Bedingungen und Prozesse zu untersuchen, die zur Entstehung unseres eigenen Sonnensystems geführt haben könnten. Insbesondere junge Sterne mit einer Masse nahe der unserer Sonne sind von großem Interesse. Etwa die Hälfte aller sonnenähnlichen Sterne sind keine Einzelgänger, wie das Doppelsternsystem IRAS 16293-2422, das von einem Team des MPE im Jahr 2020 entdeckt wurde.

Bei einer genaueren Betrachtung des Systems mit sehr hochauflösenden ALMA-Beobachtungen stellte das Team nun fest, dass die beiden Sterne in dem System nicht die einzige Wärmequelle sind. „Wir konnten in die zentrale Region hinein zoomen und stellten fest, dass der heiße Staub nicht mit den Positionen der Protosterne korreliert“, sagt María José Maureira, Postdoktorandin und Leiterin der Studie am MPE. „Überraschenderweise fanden wir lokalisierte heiße Bereiche oder ‚Hot Spots‘, die wahrscheinlich durch lokale Schocks im Gas erzeugt werden, ähnlich dem Überschallknall bei Flugzeugen.“

Solche Schocks können die chemische Zusammensetzung der Gas- und Staubwolken verändern, da hierbei Moleküle freigesetzt werden, die zuvor im Eis um die Staubkörner herum eingefroren waren. Organische Moleküle im Weltraum sind potenzielle Vorläufer von komplexeren Molekülen, die für das Leben unerlässlich sind. Solche Schocks können daher die chemische Zusammensetzung der Materie verändern und die Menge, die sich zu größeren Gebilden aufbauen kann – und damit die Eigenschaften der entstehenden Planetensysteme.

„Diese faszinierenden neuen Beobachtungen zeigen, dass unsere Scheiben-Modelle nicht vollständig waren; wir brauchen eine zusätzliche Heizquelle,“ betont Jaime Pineda, Koautor der Studie am MPE. „Die ändert die Art und Weise, wie wir die Eigenschaften des Staubs und die Masse dieser jungen Scheiben bestimmen.“

Die neuen Temperaturkarten des Staubs stimmen sehr gut mit früheren Beobachtungen bei Wellenlängen überein, die von bestimmten Molekülen ausgesandt werden. „Diese Beobachtungen haben es uns ermöglicht, die physikalischen Bedingungen und die Verteilung komplexer organischer Moleküle mit einer noch nie dagewesenen Empfindlichkeit und Winkelauflösung zu sichtbar zu machen“, betont Paola Caselli, Direktorin des Zentrums für Astrochemische Studien am MPE. „Das ist entscheidend, um die Chemie dieser Moleküle zu verstehen. Nur so können wir die diagnostischen Informationen, die sie uns liefern, nicht nur bei dieser, sondern auch bei zukünftigen Beobachtungen ähnlicher Systeme voll ausschöpfen."

Durch die Messung der Temperatur in der Umgebung junger Sterne können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausfinden, welche Moleküle vorhanden sind und wie sie sich bilden. Die Temperatur beeinflusst auch, wie viel Staub sich zur Entstehung von Planeten ansammeln kann. Die ALMA-Beobachtungen waren ursprünglich geplant um festzustellen, ob die Staubkörner um die Protosterne deutlich größer geworden sind. Da dies der erste Schritt zur Planetenentstehung ist, betrifft dies ein wichtige Frage: Wann genau entstehen Planeten?

„Da dieses ‚Baby‘-Sternsystem sehr hell ist, können wir es als Labor nutzen, um mehr darüber zu erfahren, wie Sterne mit sonnenähnlicher Masse entstehen“, fügt Kedron Silsbee hinzu, Koautor an der Universität Texas. „Als wir die Größe des Staubs analysierten, sahen wir, dass die Körner wahrscheinlich bereits größer geworden sind, aber nicht in dem Maße, wie wir es erwartet hatten. Vielleicht hängt dies mit den hohen Temperaturen in den Hot Spots oder mit der asymmetrischen Konfiguration des Systems zusammen.“ Mit weiteren Beobachtungen und einer Simulation des jungen Doppelsternsystems im Computer will das Team diese neuen Fragen beantworten.