Donnerstag, 23. Oktober 2014

Zwei Kometenfamilien um nahegelegenen Stern entdeckt

Ein französisches Astronomenteam hat mit dem HARPS-Instrument am La Silla-Observatorium der ESO in Chile die bislang umfangreichste Zählung von Kometen um einen Stern durchgeführt und dabei fast 500 einzelne Kometen untersucht, die den Stern Beta Pictoris umkreisen. Es stellte sich heraus, dass sie zwei unterschiedlichen Familien von Exokometen angehören: alten Exokometen, die den Stern viele Male nahe passiert haben, und jüngere Exokometen, die vermutlich vom kürzlichen Zerfall eines oder mehrere größerer Objekte stammen. Die neuen Forschungsergebnisse werden am 23. Oktober 2014 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Beta Pictoris ist ein junger Stern, der sich ungefähr 63 Lichtjahre von der Sonne entfernt befindet. Er ist nur 20 Millionen Jahre alt und von einer riesigen Materiescheibe umgeben – ein sehr aktives, junges Planetensystem, in dem Gas und Staub durch Verdampfen von Kometen und Kollisionen von Asteroiden entstehen.

Flavien Kiefer (IAP/CNRS/UPMC), der Erstautor der neuen Studie, beschreibt die Situation folgendermaßen: „Beta Pictoris ist ein sehr spannendes Beobachtungsziel! Die genaue Beobachtung seiner Exokometen gibt uns Hinweise darauf, welche Prozesse in dieser Art von jungen Planetensystemen auftreten.”

Fast 30 Jahre lang haben Astronomen feine Änderungen im Licht von Beta Pictoris gesehen, von denen sie glaubten, dass sie durch Vorbeiflüge von Kometen vor dem Stern verursacht wurden. Kometen sind kleine Objekte mit einer Größe von einigen Kilometern, enthalten aber große Mengen gefrorenen Materials, das verdampft wenn sie sich ihrem Stern nähern. Die dadurch entstehenden riesigen Schweife aus Gas und Staub können einen Teil des Sternlichts absorbieren, das dann von der Erde aus gesehen durch sie hindurchscheint. Das schwache Leuchten der Exokometen selber wird vom gleißend hellen Licht des Sterns überstrahlt, weshalb sie von der Erde aus nicht direkt beobachtet werden können.

Um die Exokometen von Beta Pictoris zu studieren, hat das Astronomenteam um Kiefer mehr als 1000 Beobachtungen analysiert, die zwischen 2003 und 2011 mit dem HARPS-Instrument am 3,6-Meter-Teleskop der ESO am La Silla-Observatorium durchgeführt wurden.

Die Forscher trafen dann eine Auswahl, die 493 verschiedene Exokometen enthielt. Einige davon wurden mehrere Male und einige Stunden lang beobachtet. Eine gründliche Auswertung der Daten lieferte eine Messung der Geschwindigkeit und der Größe der Gaswolken, die sie umgeben. Einige Eigenschaften der Umlaufbahnen jeder dieser Exokometen, wie die Form und die Orientierung der Umlaufbahn oder die Entfernung zu ihrem Stern, konnten ebenfalls abgeleitet werden.

Noch nie zuvor wurden mehrere hundert Exokometen in einem einzigen Exoplanetensystem untersucht. Es stellte sich heraus, dass es um Beta Pictoris zwei unterschiedlichen Familien von Exokometen gibt: eine Gruppe von alten Exokometen, deren Umlaufbahnen von einem massereichen Planeten [1] bestimmt werden, und eine weitere Gruppe, die sich vermutlich durch den kürzlichen Zerfall eines oder mehrere größerer Objekte gebildet hat. Auch in unserem Sonnensystem gibt es unterschiedliche Kometenfamilien.

Die Exokometen der ersten Familie besitzen eine große Vielfalt an Umlaufbahnen und zeigen eher schwache Aktivität mit niedrigen Produktionsraten von Gas und Staub. Dies deutet darauf hin, dass diese Kometen ihre Vorräte an gefrorenem Material durch ihre mehrmaligen nahen Vorbeiflüge an Beta Pictoris [2] bereits verbraucht haben.

Die Exokometen der zweiten Familie sind viel aktiver und befinden sich außerdem auf nahezu identischen Umlaufbahnen [3], was darauf hinweist, dass die Mitglieder dieser Familie alle denselben Ursprung haben. Vermutlich entstanden sie durch den Zerfall eines größeren Objekts, dessen Fragmente sich auf einer Umlaufbahn befinden, die den Stern Beta Pictoris streift.

Flamin Kiefer fasst zusammen: „Wir haben zum ersten Mal überhaupt mit einer eine statistischen Untersuchung die physikalischen Prozesse und die Umlaufbahnen einer großen Zahl von Exokometen bestimmt. Diese Arbeit liefert einen bemerkenswerten Einblick in die Mechanismen, die in unserem Sonnensystem kurz nach seiner Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren am Werk waren.”

Endnoten
[1] Ein Gasplanet, Beta Pictoris b, der im Abstand von etwa einer Milliarde Kilometer von dem Stern entfernt ist, wurde vor einiger Zeit ebenfalls entdeckt und mit hochaufgelösten Aufnahmen mit Adaptiver Optik untersucht.

[2] Die Bahnparameter der Umlaufbahnen dieser Kometen (Exzentrizität und Ausrichtung) genau mit denen überein, die für Kometen vorhergesagt werden, die sich in Bahnresonanz mit einem massereichen Planeten stehen. Die Eigenschaften der Kometen der ersten Familie zeigen, dass der an dieser Resonanz beteiligte Planet ungefähr 700 Millionen Kilometer von seinem Stern entfernt sein muss - nahe der Entfernung, in der Beta Pictoris b entdeckt wurde.


[3] Damit sind sie den Kometen der Kreutz-Gruppe in unserem Sonnensystem oder den Fragmenten des Kometen Shoemaker-Levy 9, der im July 1994 auf dem Jupiter einschlug, sehr ähnlich.

Zusatzinformationen
Diese Forschungsergebnisse erscheinen am 23. Oktober 2014 in der Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Two families of exocomets in the Beta Pictoris system”.

Die beteiligten Wissenschaftler sind F. Kiefer (Institut d’astrophysique de Paris [IAP], CNRS, Université Pierre & Marie Curie-Paris 6, Paris, Frankreich), A. Lecavelier des Etangs (IAP), J. Boissier (Institut de radioastronomie millimétrique, Saint Martin d’Hères, Frankreich), A. Vidal-Madjar (IAP), H. Beust (Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble [IPAG], CNRS, Université Joseph Fourier-Grenoble 1, Grenoble, Frankreich), A.-M. Lagrange (IPAG), G. Hébrard (IAP) und R. Ferlet (IAP).
    
ESO Science Outreach Network (Dr. Carolin Liefke) ÖffentlichkeitsarbeitMax-Planck-Institut für Astronomie

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