Ein neues Observatorium, das sich noch im Aufbau befindet, hat den Astronomen einen wichtigen Durchbruch beim Verständnis eines nahe gelegenen Planetensystems gebracht, das wertvolle Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung solcher Systeme geben kann. Die Wissenschaftler nutzten das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), um herauszufinden, dass Planeten, die den Stern Fomalhaut umkreisen, viel kleiner sein müssen als ursprünglich angenommen.
Die Entdeckung, die zur Lösung einer Kontroverse unter früheren Beobachtern des Systems beitrug, wurde durch hochauflösende Bilder einer Scheibe oder eines Rings aus Staub ermöglicht, der den Stern umkreist und etwa 25 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die ALMA-Bilder zeigen, dass sowohl die Innen- als auch die Außenkante der dünnen, staubigen Scheibe sehr scharfkantig sind. Zusammen mit Computersimulationen gelangten die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Staubpartikel in der Scheibe durch die Gravitation zweier Planeten in der Scheibe gehalten werden - einer näher am Stern als an der Scheibe und einer weiter entfernt.
Der schmale Staubring um Fomalhaut. Oben ist das ALMA-Bild gelb und unten ist das Hubble-Weltraumteleskop-Bild blau. Der Stern befindet sich am Ort der hellen Emission in der Mitte des Rings.
Ihre Berechnungen ergaben auch die wahrscheinliche Größe der Planeten - größer als der Mars, aber nicht größer als ein paar Mal die Größe der Erde. Dies ist viel kleiner als Astronomen bisher gedacht hatten. 2008 hatte ein Bild des Hubble-Weltraumteleskops (HST) den inneren Planeten enthüllt, von dem damals angenommen wurde, dass er größer ist als Saturn, der zweitgrößte Planet in unserem Sonnensystem. Spätere Beobachtungen mit Infrarot-Teleskopen konnten den Planeten jedoch nicht erfassen.
Dieses Versagen führte dazu, dass einige Astronomen an der Existenz des Planeten im HST-Bild zweifelten. Das HST-Bild mit sichtbarem Licht detektierte auch sehr kleine Staubkörner, die von der Strahlung des Sterns nach außen gedrückt werden, wodurch die Struktur der Staubscheibe unscharf wird. Die ALMA-Beobachtungen zeigten bei Wellenlängen, die länger sind als die des sichtbaren Lichts, größere Staubkörner - etwa 1 Millimeter im Durchmesser -, die von der Strahlung des Sterns nicht bewegt werden. Dies zeigte deutlich die scharfen Kanten der Scheibe, die den Gravitationseffekt der beiden Planeten anzeigen.
"Durch die Kombination von ALMA-Beobachtungen der Ringform mit Computermodellen können wir die Masse und die Umlaufbahn jedes Planeten in der Nähe des Rings sehr genau einschränken", sagte Aaron Boley, Sagan Fellow an der Universität von Florida, Leiter der Studie. „Die Massen dieser Planeten müssen klein sein; sonst würden die Planeten den Ring zerstören “, fügte er hinzu. Die geringen Größen der Planeten erklären, warum die früheren Infrarotbeobachtungen sie nicht erkennen konnten, sagten die Wissenschaftler.
Die ALMA-Forschung zeigt, dass die Breite des Rings etwa das 16-fache der Entfernung von der Sonne zur Erde beträgt und nur ein Siebtel so dick ist wie die Breite. "Der Ring ist noch enger und dünner als bisher angenommen", sagte Matthew Payne, ebenfalls von der University of Florida.
Der Ring ist etwa 140 Mal so weit wie die Sonne-Erde vom Stern entfernt. In unserem eigenen Sonnensystem ist Pluto etwa 40 Mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde. "Aufgrund der geringen Größe der Planeten in der Nähe dieses Rings und ihrer großen Entfernung von ihrem Wirtsstern gehören sie zu den kältesten Planeten, die bisher einen normalen Stern umkreisen", sagte Boley.
Die Wissenschaftler beobachteten das Fomalhaut-System im September und Oktober 2011, als nur etwa ein Viertel der von ALMA geplanten 66 Antennen verfügbar waren. Wenn der Bau im nächsten Jahr abgeschlossen ist, wird das gesamte System wesentlich leistungsfähiger sein. Die neuen Funktionen von ALMA zeigten jedoch die verräterische Struktur, die sich früheren Millimeterwellenbeobachtern entzogen hatte.
"ALMA befindet sich möglicherweise noch im Aufbau, hat sich jedoch bereits als das weltweit leistungsstärkste Teleskop zur Beobachtung des Universums bei Millimeter- und Submillimeterwellenlängen erwiesen", sagte Stuartt Corder vom National Radio Astronomy Observatory, einem Mitglied des Beobachtungsteams. Die Wissenschaftler werden ihre Ergebnisse in einer kommenden Ausgabe des Astrophysical Journal Letters veröffentlichen.
Der Effekt von Planeten oder Monden, die die Kanten eines Staubrings scharf halten, wurde erstmals beobachtet, als die Raumsonde Voyager 1 1980 von Saturn flog und detaillierte Bilder des Ringsystems dieses Planeten machte. Ein Ring des Planeten Uranus wird scharf von den Monden Cordelia und Ophelia begrenzt, genau so, wie es die ALMA-Beobachter für den Ring um Fomalhaut vorschlagen. Die Monde, die die Ringe dieser Planeten einschließen, werden als "Hirtenmonde" bezeichnet.
Die Monde oder Planeten, die solche Staubringe einschließen, tun dies durch Gravitationseffekte. Ein Planet im Inneren des Rings umkreist den Stern schneller als die Staubpartikel im Ring. Durch die Schwerkraft werden die Partikel mit Energie versorgt und nach außen gedrückt. Ein Planet auf der Außenseite des Rings bewegt sich langsamer als die Staubpartikel und seine Schwerkraft verringert die Energie der Partikel, wodurch sie leicht nach innen fallen.
Das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), eine internationale Astronomieanlage, ist eine Partnerschaft von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird in Europa von der Europäischen Organisation für astronomische Forschung in der südlichen Hemisphäre (ESO), in Nordamerika von den USA finanziert.National Science Foundation (NSF) in Kooperation mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem National Science Council of Taiwan (NSC) sowie in Ostasien von den National Institutes of Natural Sciences (NINS) Japans in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Der Bau und Betrieb von ALMA wird im Namen Europas von der ESO, im Namen Nordamerikas vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) geleitet, das von Associated Universities, Inc. (AUI) und im Namen Ostasiens von National Astronomical verwaltet wird Sternwarte von Japan (NAOJ). Das Joint ALMA Observatory (JAO) bietet die einheitliche Leitung und Verwaltung des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von ALMA.
Neuauflage mit Genehmigung der National Radio Astronomy Observatory.