James Webb zeigt: Für Gasplaneten läuft die Zeit davon

Das Baumaterial eines Gasriesen ist nur vorübergehend verfügbar. Junge Sterne sind von rotierenden protoplanetaren Scheiben umgeben – aus Gas und Staub entstehen in ihnen neue Planeten. Doch diese Scheiben lösen sich im Lauf der Zeit auf: Jets, Winde, Materie, die auf den Stern fällt, und die Strahlung des Sterns tragen ihr Material nach und nach ab.

Eine von Naman Bajaj von der University of Arizona geleitete Studie macht diesen Prozess nun anhand einer größeren Stichprobe als zeitliche Entwicklung sichtbar. Das Team wertete Archivbeobachtungen des Mittelinfrarot-Instruments MIRI an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) aus. Untersucht wurden 72 geneigte, überwiegend zur Klasse II gehörende Scheiben um junge, sonnenähnliche Sterne. Die Ergebnisse erschienen im The Astronomical Journal.12

Der Kern der Studie: Planetare Kerne müssen schneller wachsen als die Scheibe verschwindet

Ein felsiger Planetenkern kann nur dann zu einem Gasriesen werden, wenn er eine große Hülle aus Wasserstoff und Helium einfängt, solange die umliegende Scheibe noch genügend Gas enthält. Wird die Scheibe vorher geleert, bleibt der Kern womöglich felsig oder entwickelt sich lediglich zu einem kleineren, gasarmen Planeten.

Die Entstehung eines Gasriesen ist damit ein Wettlauf: Auf der einen Seite wächst der Kern und beginnt, seine Gashülle aufzubauen. Auf der anderen Seite wird der Vorrat an Wasserstoff und Helium durch Jets und Winde ins All getragen.12

Das ist besonders für Planeten wie Jupiter entscheidend. Die Studie kann nicht bestimmen, wann genau Jupiter entstanden ist. Sie bestätigt jedoch die grundlegende Voraussetzung: Jupiters Kern und seine massive Atmosphäre mussten sich bilden, solange das junge Sonnensystem noch von einer ausreichend gasreichen Scheibe umgeben war.12

Was Webb in den 72 Scheiben beobachtete

Die Forschenden nutzten die Infrarotstrahlung bestimmter Moleküle und Atome als Spurensignale für Material, das aus den Scheiben entweicht. In 66 der 72 Systeme wurde eine ausgedehnte Emission von molekularem Wasserstoff oder ionisiertem Neon nachgewiesen. Dabei identifizierte das Team:2

• 46 kegelförmige Winde aus molekularem Wasserstoff, die breitere Ausströmungen von Scheibenmaterial anzeigen.
• 40 schnell fliegende Jets aus ionisiertem Neon, die für stärker gebündelte und schnellere Ströme stehen.

Jedes System mit einem Neon-Jet zeigte zugleich Hinweise auf einen breiteren Wind. In den meisten Fällen wurde dieser durch molekularen Wasserstoff sichtbar, in den übrigen durch atomaren Sauerstoff. Das Zusammenspiel verbindet den schmalen, schnellen Jet mit einem umfassenderen Prozess, der Gas aus der planetenbildenden Umgebung entfernen kann.2

Die 72 Scheiben wurden nicht über Millionen Jahre hinweg ein und dasselbe Mal beobachtet. Stattdessen befinden sich die untersuchten Systeme in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Ihr Vergleich liefert deshalb eine Art Entwicklungssequenz: Viele einzelne Momentaufnahmen werden zu einem Bild davon zusammengesetzt, wie sich die Auflösung einer protoplanetaren Scheibe verändert.12

Der Mechanismus des Gasverlusts wandelt sich mit dem Alter

Das Muster der Beobachtungen passt zu zwei großen Phasen, die in den ersten mehreren Millionen Jahren eines Planetensystems nacheinander eine Rolle spielen.1

Frühphase: Magnetische Jets und Molekülwinde

Systeme mit höheren Akkretionsraten – also einer stärkeren Materiezufuhr zum jungen Stern – zeigten häufiger Jets und Molekülwinde. Das spricht für eine frühe Phase, in der magnetohydrodynamische, also magnetisch angetriebene, Jets und Winde die Entfernung des Scheibenmaterials maßgeblich bestimmen.12

Der junge Stern wird zu diesem Zeitpunkt noch aktiv aus der Scheibe gespeist. Gleichzeitig beginnt dieselbe dynamische Umgebung, den Gasvorrat der Scheibe abzubauen. Für einen wachsenden Planetenkern ist das die kritische Phase des Wettlaufs: Es gibt noch viel Gas, aber die Uhr läuft bereits.

Spätphase: Schwächere Jets und Strahlungsverlust

Mit sinkender Akkretion werden die Jets schwächer. Die heißeren molekularen Spuren verschwinden zuerst, während die verbleibenden Ausströmungen zunehmend atomar geprägt sind. Nach Interpretation der Forschenden gewinnt in dieser späteren Phase die Strahlung des Sterns an Bedeutung – unter anderem durch Photoevaporation, bei der energiereiche Strahlung Gas aus der dünner werdenden Scheibe herauslöst.12

Dabei ersetzt nicht plötzlich ein einziger Mechanismus alle anderen. Vielmehr verschiebt sich das Kräfteverhältnis im Lauf der Entwicklung des Stern-Scheiben-Systems. Die beobachtete Veränderung grenzt ein, wann dieser Übergang stattfindet. Noch liefern die Nachweiszahlen allerdings keine vollständige Massenbilanz der einzelnen Winde.12

Warum manche Systeme Gasriesen hervorbringen – und andere nicht

Die Ergebnisse liefern eine mögliche physikalische Erklärung dafür, dass aus ähnlichen jungen Sternsystemen sehr unterschiedliche Planetensysteme entstehen können. In einem System wächst ein Kern möglicherweise früh genug und wird massereich genug, um rasch eine Gashülle einzufangen. In einem anderen verliert die Scheibe einen großen Teil ihres Gases, bevor dieser Punkt erreicht ist.

Entscheidend können unter anderem die Masse der Scheibe, die Geschwindigkeit des Kernwachstums, die Akkretionsgeschichte des Sterns, die Stärke magnetischer Ausströmungen und die Intensität energiereicher Strahlung sein. Die Studie weist darauf hin, dass die windgetriebene Auflösung der Scheibe zu diesen Unterschieden beiträgt – sie ist jedoch nicht der einzige Faktor, der über die Entstehung eines Gasriesen entscheidet.2

Auch die Architektur unseres Sonnensystems lässt sich dadurch in einen größeren Zusammenhang einordnen. Das Sonnensystem ist heute rund 4,6 Milliarden Jahre alt; seine ursprüngliche planetenbildende Scheibe ist längst verschwunden. Die heute vorhandenen Planeten sind somit das Ergebnis einer frühen, vergleichsweise kurzen Konkurrenz zwischen dem Wachstum der Planeten, dem Einstrom von Materie auf die junge Sonne und dem Verlust von Gas durch Jets, Winde und Strahlung.12

Die nächste Frage: Wie viel Gas entfernen die Winde tatsächlich?

Zu wissen, welche Ausströmungen in welchen Entwicklungsstadien auftreten, ist ein wichtiger erster Schritt. Allein die Häufigkeit ihrer Nachweise zeigt jedoch noch nicht, ob sie genügend Gas entfernen, um die Bildung von Planeten entscheidend zu beeinflussen.

Als Nächstes will das Team deshalb die Massenverlustrate jedes Windes bestimmen und herausfinden, aus welchen Radien der Scheibe die Ausströmungen starten.12

Damit ließe sich eine quantitative Frage beantworten: Können die beobachteten Winde das Scheibengas schnell genug entfernen, um die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines Jupiter-ähnlichen Planeten zu verändern? Erst solche Messungen werden zeigen, ob die beobachtete Abfolge nicht nur ein überzeugendes Entwicklungsbild liefert, sondern tatsächlich erklärt, wie der Gasverlust die endgültige Architektur von Planetensystemen festlegt.