Gravitation Astronomen beobachten "gekippte" Ringe um Dreifach-Stern

Autorenfoto von Clemens Haug
Bildrechte: Tobias Thiergen/MDR

Im Sonnensystem schweben alle Planeten auf einer Ebene um den Stern. Doch wenn es mehr als einen Stern gibt, verändert die Schwerkraft die Umlaufbahnen. Ein Beispiel dafür haben Astronomen jetzt an einem Dreifachsystem beobachtet.

Linke Seite: Künstlerische Darstellung der u,m die Sterne gekippten Ringe. Rechts: Die Messungen des SPHERE Instruments am VLT.
GW Orionis ist ein Dreifach-Sternsystem mit einer sonderbaren inneren Region. Laute neuen Daten ist es eine verformte planetenbildende Scheibe mit einem schräg ausgerichteten Ring. Insbesondere das SPHERE-Bild (rechte Seite) ermöglichte es den Astronomen zum ersten Mal, den Schatten zu sehen, den dieser Ring auf den Rest der Scheibe wirft. Dies half ihnen, die 3D-Form des Rings und der gesamten Scheibe zu ermitteln. Die linke Seite zeigt eine künstlerische Darstellung der inneren Region der Scheibe, einschließlich des Rings, die auf der vom Team rekonstruierten 3D-Form basiert. Bildrechte: ESO/L. Calçada, Exeter/Kraus et al.

Science Fiction Fans kennen den Wüstenplaneten Tatooine aus "Star Wars", die Heimatwelt des Jediritters Luke Skywalker. Der Planet ist karg und trocken, weil er zwei Sterne umkreist, deren Wärme und Licht flüssiges Wasser zur Mangelware auf der Oberfläche der Welt machen. Zu viel Wärme ist tatsächlich nur ein mögliches Problem auf einem Planeten in deinem Doppel- oder sogar Dreifachsternsystem. Ein anderes sind die Effekte, die die Schwerkraft mehrerer massiver Sterne auf die Umlaufbahnen von Planeten hat.

Ring mit 30 Erdmassen schief um Sterne gekippt

Hier hält sich Star Wars aus gutem Grund bedeckt. Das in der Physik als Dreikörperproblem beschriebene Phänomen ist so kompliziert, dass es sich schlecht in einem Weltraummärchen erzählen lässt, ohne bei mathematisch normal begabten Zuschauern Kopfzerbrechen auszulösen. Denn während in unserem Sonnensystem die Umlaufbahnen aller Planeten auf einer Ebene liegen, können diese Ebenen in Mehrfachsystemen zerrissen und gegeneinander gekippt werden. So zumindest die Annahme der theoretischen Physik.

 Linke Seite: Grafik auf Basis der Daten vom Radioteleskop ALMA, rechts Visualisierung der Daten des SPHERE Instruments
Das ALMA-Bild (links) zeigt die ringförmige Struktur der Scheibe, wobei der innerste Ring vom Rest der Scheibe getrennt ist. Die SPHERE-Beobachtungen (rechts) erlaubten es den Astronomen zum ersten Mal, den Schatten dieses innersten Rings auf dem Rest der Scheibe sichtbar zu machen, was es ihnen ermöglichte, seine verzerrte Form zu rekonstruieren. Bildrechte: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESO/Exeter/Kraus et al.

Dass das auch tatsächlich passiert, können Astronomen jetzt am Sternsystem GW Orionis zeigen. Das ist über 1.300 Lichtjahre entfernt im Sternbild Orion und besitzt drei Sterne in seinem Zentrum. Elf Jahren lang haben Astronomen Beobachtungen gemacht. Dabei haben sie die Umlaufbahnen der Sterne kartographiert und eine protoplanetare Scheibe entdeckt, die in mehrere Ringe zerbrochen ist. Einer der Ringe hat sich dabei von der Scheibe gelöst und kreist in schiefer Ebene eng um die drei Sterne. Laut Messungen enthält er insgesamt 30 Erdmassen Staub, es könnten sich dort tatsächlich Planeten bilden.

Überlagerte Darstellung der Daten von ALMA und SPHERE, die das System GW Orionis zeigen 2 min
Bildrechte: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESO/Exeter/Kraus et al.
Überlagerte Darstellung der Daten von ALMA und SPHERE, die das System GW Orionis zeigen 2 min
Bildrechte: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESO/Exeter/Kraus et al.

Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte lieferte Daten

"Unsere Bilder zeigen einen Extremfall, in dem die Scheibe überhaupt nicht flach ist, sondern sie sich verformt und einen schiefen Ring aufweist, der sich von der Scheibe gelöst hat", sagt Stefan Kraus, Professor für Astrophysik an der Universität Exeter im Vereinigten Königreich. "Alle Planeten, die sich innerhalb des verkippten Rings bilden, werden den Stern auf stark schrägen Bahnen umkreisen", sagt Alexander Kreplin, der ebenfalls zu dem in fünf Ländern arbeitenden internationalen Forschungsteam gehört. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler jetzt in Science veröffentlicht.

Die Daten lieferten verschiedene Instrumente und Teleskope am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile. So konnte einerseits der Innenring abgebildet, als auch sein Schatten auf die übrige Scheibe gemessen werden. Das machte ein 3-D-Modell des Systems möglich.

Ist ein Planet für die Trennung der Ringe verantwortlich?

Mit Hilfe von Simulationen rekonstruierten die Forscher die Entstehung der beobachteten Verschiebungen und bestätigten den bereits vorher vermuteten "Scheibenzerreiß-Effekt". Ursache dafür war die gegenläufige Anziehungskraft der verschiedenen Sterne. Bereits im Mai hatte ein anderes Team GW Orionis in "The Astrophysical Journal Letters" beschrieben. Diese Forscher  vermuten, dass es einen Planeten zwischen den verschiedenen Ringen gibt, der die protoplanetare Scheibe auseinander gerissen hat.

Die Wissenschaftler hoffen, mit Hilfe des in den kommenden zehn Jahren startenden ELT (Extremely Large Teleskope) viele weitere Planeten und protoplanetare Scheiben um Mehrfachsysteme beobachten zu können. Im Universum sind Doppel- und andere Mehrfachsternsysteme keine Seltenheit. Lange war unklar, ob es in solchen Systemen auch Planeten gibt. Das konnten erst jüngere Forschungen bestätigen.

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