Ein internationales Astronomenteam konnte kürzlich mit dem Very Large Telescope der ESO in der unmittelbaren Umgebung von mehreren Sternen eine als Zodiakallicht bekannte Leuchterscheinung beobachten. Dieses Phänomen wird durch die Reflektion von Licht an Staubpartikeln verursacht, welche bei der Kollision von Asteroiden freigesetzt werden. Das Vorhandensein derartig großer Mengen an Staub in den inneren Regionen von einigen Sternsysteme könnte in der Zukunft ein Hindernis bei der direkten Abbildung und Untersuchung von erdähnlichen Planeten darstellen.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.
(Bild: ESO, Y.Beletsky)
Von sehr dunklen Beobachtungsstandorten aus kann man in sehr klaren Nächten kurz vor beziehungsweise unmittelbar nach der astronomischen Dämmerung eine äußerst schwache Leuchterscheinung beobachten, welche als Zodiakallicht bezeichnet wird. Dieses Phänomen wird durch die Reflektion des Sonnenlichts an feinen Staubpartikeln hervorgerufen, welche sich in der gleichen Ebene befinden, in der auch die Planeten unseres Sonnensystems um die Sonne kreisen, und die sich dabei zugleich zwischen der Erde und der Sonne bewegen. Aus diesem Grund ist diese Leuchterscheinung lediglich entlang einer etwa 20 Grad breiten Zone um die Ekliptik zu beobachten, welche auch als Tierkreis oder Zodiak bekannt ist.
Eine der Quellen für diesen interplanetaren Staub stellen unter anderem die Kollisionen von Asteroiden dar, bei denen Material von den Oberflächen der Asteroiden in das umgebende Weltall befördert wird. Weiteres Material wird durch die Einschläge von Meteoroiden auf die Monde und Asteroiden innerhalb des Sonnensystems geliefert. Und auch die Kometen setzen regelmäßig große Mengen an Staub frei.
Das Zodiakallicht ist allerdings nicht nur von der Erde aus sichtbar, sondern kann überall im Sonnensystem beobachtet werden. Diese Erscheinung ist zudem auch nicht nur auf unser Sonnensystem begrenzt, sondern konnte in der Vergangenheit bereits mehrfach auch in fremden Sternsystemen beobachtet werden.
Exozodiakales Licht in fremden Sternsystemen
Ein von dem Astronomen Steve Ertel von der Universität Grenoble in Frankreich geleitetes Team hat jetzt 92 nahegelegene Sterne im nahen Infrarotlicht untersucht und die dabei gewonnenen Daten mit früheren Beobachtungsergebnissen verglichen. Der Zweck dieser Untersuchung bestand in der systematischen Studie des Zodiakallichts bei fremden Sternen. Dabei stellte sich heraus, dass bei neun der untersuchten Sterne ein sehr helles ‚exozodiakales‘ Licht beobachtet werden konnte, welches durch das ‚Leuchten‘ von exozodiakalen Staubpartikeln beziehungsweise durch die Reflektion von Sternlicht an diesen Staubkörnern erzeugt wird.
Im Gegensatz zu früheren Messungen beobachtete das Team dabei keinen Staub, der sich in protoplanetaren Scheiben konzentriert und aus dem in Zukunft Planeten hervorgehen werden, sondern Staub, welcher durch die Kollisionen von bereits mehreren Kilometern durchmessenden Planetesimalen in den inneren Regionen dieser Sternsysteme erzeugt wird.
Der Nachweis dieser schwachen Staubkonzentrationen nahe an einem hellen und zudem viele Lichtjahre entfernt gelegenen Stern erforderte hochauflösende Beobachtungen mit Interferometern, welche einen hohem Kontrast bieten. Die im infraroten Bereich des Lichtspektrums durchgeführte Interferometrie – eine Methode, welche das Licht kombiniert, das genau zur selben Zeit mit mehreren Teleskopen gesammelt wird – ist die einzige Technik, welche es erlaubt, derartige Staubansammlungen zu entdecken und zu untersuchen.
(Bild: ESO, L. Calçada)
Das Team um Steve Ertel nutzte hierfür das Instrument PIONIER, welches ein Bestandteil des Very Large Telescope Interferometers (VLTI) des in den chilenischen Anden befindlichen Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte (ESO) ist. Das PIONIER-Instrument ist in der Lage, alle vier Hauptteleskope des VLT oder die dort befindlichen vier Hilfsteleskope interferometrisch zu verbinden. Dies führt nicht nur zu einer extrem hoher Auflösung der angepeilten Beobachtungsziele, sondern erlaubte zudem eine hohe Beobachtungseffizienz. Für ihre Untersuchungen benutzten die Astronomen die vier Hilfsteleskope des VLT, welche jeweils über Hauptspiegeldurchmesser von 1,8 Metern verfügen.
Bei den Sternen, wo ein besonders starkes exozodiakales Licht auftrat, konnten die Astronomen auch die ausgedehnten exozodiakalen Staubscheiben auflösen und deren schwaches Leuchten vom dominanten Licht des jeweiligen Sterns trennen. Über die Analyse der physikalischen Eigenschaften dieser Sterne fand das Team heraus, dass die höchsten Staubkonzentrationen in der Umgebung von bereits älteren Sternen auftreten.
Dieses Resultat war für die Astronomen sehr überraschend. Es wirft einige Fragen über das Verständnis über die Entstehung von Planetensystemen auf, denn alle bekannten Mechanismen zur Staubproduktion, die durch die Kollisionen von Planetesimalen verursacht wird, sollten im Laufe der Zeit zu einem Rückgang der Staubfreisetzungsraten führen.
Beeinträchtigungen bei zukünftigen Beobachtungen von Exoplaneten
Die von Steve Ertel und seinen Kollegen beobachteten stellaren Objekte umfassten auch 14 Sterne, von denen bereits zuvor bekannt war, dass sie von Exoplaneten umkreist werden. All diese Planeten – so das Ergebnis der Studie – befinden sich dabei in derselben Region des jeweiligen Sternsystems wie auch der Staub, welcher das dortige Zodiakallicht hervorruft. Die Existenz von größeren Staubmengen und dem daraus resultierenden exozodiakalen Licht in Planetensystemen könnte sich für die weiteren astronomischen Studien von Exoplaneten allerdings als problematisch herausstellen. Speziell trifft dies auf den Nachweis von verhältnismäßig kleinen Planeten durch eine dirkete Abbildung zu, welche ihren Zentralstern in geringen Entfernungen umkreisen.
Derartige exozodiakale Staubemissionen – selbst auf niedrigem Niveau – machen es bedeutend schwieriger, zum Beispiel erdähnliche Planeten, welche ihren jeweiligen Stern innerhalb der habitablen Zone umkreisen, direkt abzubilden und zu untersuchen.
(Bild: ESO, Y.Beletsky)
Das exozodiakale Licht, welches im Rahmen dieser Studie nachgewiesen wurde, ist um einen Faktor 1.000 heller als das Zodiakallicht, welches im Bereich unseres Sonnensystems auftritt. Die Anzahl der Sterne, welche Zodiakallicht auf dem Niveau des Sonnensystems aufweisen, ist somit sehr wahrscheinlich deutlich höher als die Zahl, die in dieser Untersuchung gefunden wurde. Diese Beobachtungen – so die Astronomen – sind deshalb lediglich ein erster Schritt im detaillierten Studium des Exo-Zodiakallichts bei fernen Sternen.
„Die hohe Entdeckungsrate auf diesem Helligkeitsniveau lässt uns vermuten, dass es eine bedeutende Anzahl von Systemen gibt, die leuchtschwächeren Staub enthalten, der mit unseren Methoden nicht mehr beobachtbar ist, aber trotzdem viel heller wäre als der zodiakale Staub des Sonnensystems“, so Olivier Absil von der Universität Lüttich – einer der an der Untersuchung beteiligten Astronomen. „Die Anwesenheit solchen Staubes in vielen Systemen könnte deshalb ein Hindernis für zukünftige Beobachtungen werden, die darauf abzielen, direkte Bilder von erdähnlichen Exoplaneten anzufertigen.“
„Wenn wir die Entstehung der erdähnlichen Planeten nahe der habitablen Zone untersuchen wollen, müssen wir den zodiakalen Staub in dieser Region um andere Sterne herum beobachten“, so Steve Ertel. „Das Aufspüren und Charakterisieren dieser Art von Staub um andere Sterne herum ist ein Weg, die Architektur und Entstehung von Planetensystemen zu studieren.“
Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden kürzlich unter dem Titel „A near-infrared interferometric survey of debris-disc stars. IV. An unbiased sample of 92 southern stars observed in H-band with VLTI/PIONIER“ von Steve Ertel et al. in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics publiziert.
Sozusagen als ‚Nebenprodukt‘ haben diese Beobachtungen zudem zu der Entdeckung bisher unbekannten stellarer Begleiter geführt, die einige der massereichsten der in dieser Studie untersuchten Sterne umkreisen. „Diese neuen Begleiter legen nahe, dass wir unsere gegenwärtige Annahme revidieren müssen, wie viele dieser Sterntypen wirklich Doppelsysteme sind“, so Lindsay Marion, die Erstautorin eines zusätzlichen Artikels, welcher die Hauptstudie ergänzt und dabei auf den gleichen Beobachtungsdaten basiert. Auch diese Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
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- A near-infrared interferometric survey of debris-disc stars… (Volltext, engl.)
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