Die Geburt von Planeten geschieht tief verborgen in Scheiben aus Staub und Gas. Ihre Spuren konnten nun mit Hilfe des Alma-Observatoriums gesichtet werden.
HL Tau, ein sonnenähnlicher, sehr junger Stern in einer Entfernung von 450 Lichtjahren, hat es vor vier Jahren geschafft, eine Art Popstar der Astronomie zu werden. Dass ihn heute wohl jeder Astrophysiker kennt, liegt nicht nur daran, dass er als ein besonders spannendes Himmelsobjekt gelten kann: Die Entstehung des Sterns liegt so kurz zurück, dass er noch immer von einer sogenannten protoplanetaren Scheibe aus Staub und Gas umgeben ist, aus der sich aktuell seine Planeten herausbilden. Der noch entscheidendere Grund für seine Bekanntheit ist aber, dass im November 2014 eine Abbildung von HL Tau veröffentlicht wurde, die das chilenische Alma-Observatorium im Bereich von Millimeter-Wellenlängen aufgenommen hatte und die weltweit für Begeisterung sorgte.
Zu sehen ist darauf eine geneigte Scheibe, die von konzentrischen, dunklen Ringen durchzogen ist. Die Strahlung stammt von Staubkörnchen, die den Stern umkreisen und die das Rohmaterial für die Planetenentstehung darstellen. Als die Wissenschaftler, die diese Beobachtung veranlasst hatten, das Bild Ende 2014 auf einer Konferenz in Tokio vorstellten, berichteten sie von ihrer Überraschung, als der spektakuläre Detailreichtum der Abbildung erstmalig auf ihren Bildschirmen sichtbar wurde. Solche Details hatte man vorher nur in numerischen Simulationen gesehen, nie jedoch in radioastronomischen Beobachtungen.
HL Tau war eines von drei Objekten, an denen erstmalig die volle Leistungsfähigkeit des Alma-Observatoriums demonstriert wurde. Alma – das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array – ist ein Interferometer, ein Zusammenschluss von 66 beweglichen Einzelteleskopen auf einer rund fünf Kilometer hoch gelegen Ebene in der trockensten Wüste der Erde. Die Kombination der individuellen Teleskopsignale simuliert ein großes Teleskop mit einem Durchmesser, der dem größten Abstand zweier Einzelteleskope des Arrays entspricht. Je größer dieser Abstand ist, desto feinere Details werden in der Beobachtung sichtbar. 2014 wurden die Teleskope zum ersten Mal in eine Konfiguration mit der maximal möglichen Entfernung von 15 Kilometern gebracht und ein Asteroid und eine per Gravitationslinse zum Ring gebogene Galaxie beobachtet – zusammen mit HL Tau.
Ein Stern im Embryonalstadium
Mit einem Alter von weniger als einer Million Jahren ist HL Tau so jung, dass er noch gar kein echter Stern ist (das Alter unserer Sonne, im Vergleich, beträgt rund 4,6 Milliarden Jahre). Seine Energie speist sich noch nicht aus Kernfusion, sondern aus der Gravitationsenergie des auf ihn einstürzenden Materials der ihn umgebenden Molekülwolke. Dieser Kollaps ist auch der Grund für die Bildung der protoplanetaren Scheibe, die den Stern umgibt: Die Drehimpulserhaltung lässt einfallendes Gas und Staub immer schneller rotieren und presst das Material in eine Ebene. Das junge Sonnensystem ist dabei noch so stark in die Molekülwolke eingebettet, dass es bei optischen Wellenlängen nicht zu beobachten ist. Nur längere Infrarot- und Radiowellenlängen tragen Informationen über den Stern nach außen.
Man vermutet, dass in dieser frühen Lebensphase eines Sterns bereits die Weichen dafür gestellt werden, welche Planeten er dereinst beherbergen wird. Die Alma-Beobachtung von HL Tau war deshalb für viele Astronomen so aufregend, weil die dunklen Ringe in der protoplanetaren Scheibe deutliche Anzeichen für diesen Prozess der Planetenentstehung liefern. Über die genaue Deutung dieser Ringe herrschte zunächst aber Uneinigkeit. Die naheliegende Vermutung war, dass sie auf Lücken in der Staubscheibe zurückzuführen sind, die von neu entstehenden Planeten auf deren Bahnen erzeugt werden. Dafür sprachen die Formen der Ringe und die Tatsache, dass die Umlaufzeiten dieser Bahnen Resonanzen – ganzzahlige Verhältnisse – aufweisen, so wie man es beispielsweise von den Planeten aus unserem Sonnensystem kennt. Numerische Modelle hatten schon vor einigen Jahren vorhergesagt, dass die Interaktion von Planeten mit dem Scheibengas zu entsprechenden Lücken führen sollte.