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Erstmals Gaswirbel um jungen Planeten direkt beobachtet
Planeten entstehen in Scheiben aus Gas und Staub, doch ihre direkte Wechselwirkung mit dem Scheibengas ließ sich bislang kaum beobachten. Neue ALMA-Daten zeigen nun einen Gaswirbel am jungen Gasriesen WISPIT 2b, der genau am Ort des bereits direkt abgebildeten Planeten liegt. Damit lässt sich erstmals ein solcher kinematischer Fingerabdruck eindeutig mit einem sichtbaren Protoplaneten verknüpfen.
Heidelberg (Deutschland). Protoplanetare Scheiben sind die Geburtsorte neuer Planeten. In ihrem Gas und Staub wachsen zunächst kleine Festkörper, später bilden sich planetare Kerne, die ihre Umgebung zunehmend verändern. Viele Ringe, Lücken und Strömungsmuster gelten als mögliche Spuren solcher jungen Welten, doch oft fehlt ein direkt sichtbarer Planet als eindeutiger Bezugspunkt.
Genau das ist im rund 430 Lichtjahre entfernten WISPIT-2-System anders. Dort wurden bereits zwei junge Gasplaneten, WISPIT 2b und WISPIT 2c, direkt nachgewiesen. WISPIT 2b zieht in etwa 57 astronomischen Einheiten Abstand durch die protoplanetare Scheibe, besitzt ungefähr die fünffache Jupitermasse und nimmt weiterhin Material aus seiner Umgebung auf.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) um Prof. Dr. Myriam Benisty haben die Scheibe nun mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile untersucht. Das Team kombinierte sehr hoch aufgelöste Beobachtungen des Staubs mit Karten von Kohlenstoffmonoxid, das die räumliche Verteilung und Bewegung des Scheibengases sichtbar macht. Die öffentlich verfügbare Arbeit liegt als Forschungs-Preprint vor und ist bereits zur Veröffentlichung angenommen.
Die Daten zeigen, dass WISPIT 2b eine Lücke in das Gas geräumt hat, während innerhalb der Umlaufbahn von WISPIT 2c eine weitgehend leere Gaskavität liegt. Zwischen beiden Planeten fanden die Forscher außerdem einen gasreichen und optisch dünnen Staubring. Besonders auffällig ist, dass sich die Höhe der leuchtenden Gasoberfläche jenseits von WISPIT 2b stark verändert und dadurch Brüche in den Geschwindigkeitskanälen entstehen.
„Wir sehen deutlich, wie beide Planeten das Gas in ihrer Umgebung beeinflussen. WISPIT 2c hat um sich herum eine Art Höhle aus Gas geschaffen, WISPIT 2b eine Lücke im Gas der Scheibe. Um WISPIT 2b herum finden wir genau so eine Art von Gaswirbel, wie ihn Simulationen von Scheibe-Planet-Wechselwirkungen vorhergesagt haben. Beobachtet wurde solch ein Wirbel bisher allerdings nicht – aber jetzt haben wir ein Bild davon!“, sagt Prof. Dr. Myriam Benisty.
Entscheidend ist eine blitzförmige Störung in den Geschwindigkeitskarten direkt an der Position von WISPIT 2b. Solche kinematischen Planetensignaturen wurden in Simulationen von Wechselwirkungen zwischen Planet und Scheibe vorhergesagt. In WISPIT 2 sehen die Forscher nun erstmals eine bestätigte kinematische Signatur, die einem bereits direkt abgebildeten Planeten zugeordnet werden kann.
Durch den Vergleich von Gasemission auf entgegengesetzten Seiten der Systemgeschwindigkeit konnten die Forscher überschüssige Emission in der Umgebung des Planeten isolieren. Sie erstreckt sich über die gesamte sogenannte Hill-Sphäre, also den gravitativen Einflussbereich des Planeten. Das ist deutlich größer als eine kompakte zirkumplanetare Scheibe allein erwarten ließe.
Nach Ansicht des Teams dürfte das Signal deshalb aus mehreren Beiträgen entstehen. Dazu zählen vom Planeten angeregte Spiralwellen im Gas, lokale Erwärmung und eine kleinere Scheibe aus Material unmittelbar um den Protoplaneten. Welche Anteile die einzelnen Prozesse haben, lässt sich mit der derzeitigen spektralen Auflösung noch nicht trennen.
Für die Suche nach bislang unsichtbaren jungen Planeten ist WISPIT 2b damit ein wichtiger Referenzfall. Gaswirbel wurden auch in anderen protoplanetaren Scheiben beobachtet, ohne dass dort gleichzeitig ein Planet direkt nachgewiesen war. Weil bei WISPIT 2b beide Signale am selben Ort auftreten, lässt sich nun besser prüfen, welche Strömungsmuster tatsächlich durch einen Pr