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Webb-Teleskop zeigt Spuren planetenzertrümmernder Kollisionen
Gewaltige Kollisionen prägen die Entstehung felsiger Planeten, doch ihre Trümmer lassen sich meist nur indirekt beobachten. Spektren von 21 extremen Trümmerscheiben zeigen nun, dass die Mineralogie ihres Staubs Hinweise auf Größe und Energie solcher Einschläge liefert. Systeme mit ausgeprägten Siliziumdioxid-Spuren deuten dabei auf besonders energiereiche Zusammenstöße großer planetarer Körper hin.
Greenbelt (U.S.A.). Junge Planetensysteme können nach dem Ende ihrer gasreichen Anfangsphase weiterhin von schweren Zusammenstößen geprägt sein. Solche Ereignisse erzeugen große Mengen warmen Staubs, der in sogenannten extremen Trümmerscheiben nahe am Stern leuchtet und seine Helligkeit unregelmäßig verändert. Weil die kollidierenden Körper selbst viel zu klein für direkte Aufnahmen sind, muss ihre Vorgeschichte aus den Eigenschaften des Staubs rekonstruiert werden. Genau dafür liefert das James-Webb-Weltraumteleskop nun eine größere Vergleichsbasis.
Forscher des Space Science Institute (SSI) um Kate Y. L. Su haben 16 extreme Trümmerscheiben mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb untersucht und fünf weitere Systeme mit Archivspektren des Spitzer-Weltraumteleskops einbezogen. Zwölf der Webb-Ziele erhielten erstmals vollständige Spektren im mittleren Infrarot von 4,9 bis 27,9 Mikrometern, vier waren zuvor bereits mit Spitzer beobachtet worden. Das Team verglich vor allem Form und Stärke markanter Emissionsmerkmale um zehn Mikrometer, um die kleinen Staubkörner und ihre Mineralzusammensetzung zu charakterisieren.
Die 21 Systeme teilen drei auffällige Eigenschaften. Sie enthalten mehr sehr kleine, optisch dünne Staubkörner als typische protoplanetare oder gewöhnliche Trümmerscheiben, viel warmen Staub in den inneren Bereichen und häufig unregelmäßige Änderungen ihrer Infrarothelligkeit. Die Autoren werten diese Kombination als Kennzeichen einer besonderen Kollisionsphase.
„Zum ersten Mal haben wir genügend Systeme zusammengetragen, um diese Unterklasse, die wir extreme Trümmerscheiben nennen, wirklich zu verstehen. Vor Webb hatten wir nur begrenzte Informationen. Wir wussten, dass sie seltsam und ganz anders als die typischen kalten Trümmerscheiben sind, die wir kennen, etwa Vega und Fomalhaut. Jetzt, da wir mehr Daten haben, können wir genauer bestimmen, was diese Scheiben für die Entstehung und Entwicklung von Planeten bedeuten“, sagt Kate Y. L. Su.
Entscheidend ist die mineralogische Zweiteilung der Stichprobe. Acht der 21 Trümmerscheiben, also rund 38 Prozent, zeigen besonders ausgeprägte Spuren von Siliziumdioxid. Die übrigen 13 Systeme sind daran ärmer und zeigen eher Spektralmerkmale anderer Silikate wie Forsterit. Diese Einteilung beruht auf den Spektralmerkmalen des Staubs und ist keine direkte Beobachtung der ursprünglichen Zusammenstöße.
Nach der Interpretation der Autoren entstehen die siliziumdioxidreichen Signaturen eher bei sehr energiereichen Einschlägen zwischen etwa marsgroßen Körpern, bei denen ein erheblicher Teil des Gesteins verdampft und anschließend wieder zu feinen Körnern kondensiert. Die siliziumdioxidärmeren Scheiben passen dagegen eher zu Kollisionen mondgroßer Körper oder zu streifenden Zusammenstößen. Die Studie leitet damit aus dem Staub nicht nur die Materialzusammensetzung, sondern auch Hinweise auf die physikalischen Bedingungen der Kollisionen ab.
„Allein ihre Strahlung im mittleren Infrarot und die schönen Spektralmerkmale mit Webb zu sehen, durch die wir ihre Zusammensetzungen bestimmen konnten, war für mich das Spannendste. Wir haben keine andere Möglichkeit, diese planetaren Embryonen direkt zu untersuchen, weil sie zu klein sind“, sagt Ágnes Kóspál vom Konkoly Observatory.
Auch das Alter der Sterne unterscheidet die beiden Gruppen. In der untersuchten Stichprobe treten siliziumdioxidreiche Scheiben nur bei Sternen unter 300 Millionen Jahren auf, während die siliziumdioxidärmeren Systeme ein breiteres Altersspektrum abdecken. Das passt zu Modellen, nach denen die größten Zusammens