Ein Forschungsteam unter der Leitung von Kate Su vom Space Science Institute in Boulder, Colorado, hat 21 extreme Trümmerscheiben anhand von Beobachtungen im mittleren Infrarotbereich des James-Webb-Weltraumteleskops sowie Archivdaten des Spitzer-Weltraumteleskops untersucht. Die in The Astrophysical Journal veröffentlichten Ergebnisse gewähren detaillierte Einblicke in hochenergetische Kollisionen während der Entstehung von Gesteinsplaneten.

Extreme Trümmerscheiben sind ein seltenes Phänomen. Wissenschaftler schätzen, dass nur etwa ein Prozent der jungen Sterne die beobachtbaren Signaturen dieser Phase aufweist. Zu den untersuchten Systemen gehörten fünf Scheiben aus Spitzer-Archivdaten und 16 mit Webb beobachtete Objekte – darunter zwölf neu anvisierte Scheiben und vier Folgebeobachtungen von Zielen, die zuvor bereits von Spitzer überwacht worden waren.

„Es ist das erste Mal, dass wir genügend Systeme erfasst haben, um diese Unterklasse, die wir als extreme Trümmerscheiben bezeichnen, wirklich zu verstehen“, sagte Su. Sie erklärte, dass Astronomen vor Webb nur sehr wenige Informationen hatten und lediglich feststellen konnten, dass diese Systeme im Vergleich zu herkömmlichen kalten Trümmerscheiben wie denen um Wega und Fomalhaut ungewöhnlich waren. Mit den nun vorliegenden Daten können die Forscher präziser aufzeigen, was diese Scheiben über die Entstehung und Entwicklung von Planeten verraten.

Charakteristische Merkmale und chemische Zusammensetzung

Nach Angaben des Forschungsteams weisen extreme Trümmerscheiben drei charakteristische Merkmale auf: Staubkörner, die kleiner sind als in protoplanetaren oder klassischen Trümmerscheiben, eine hohe Konzentration warmen Staubs in unmittelbarer Nähe des Zentralsterns und unregelmäßige Helligkeitsschwankungen im Zeitverlauf.

Spektroskopische Analysen ermöglichten es den Forschern, die Stichprobe anhand der mineralischen Zusammensetzung in zwei verschiedene Kategorien zu unterteilen. Etwa ein Drittel der Systeme sind silikatreiche Scheiben, während die restlichen zwei Drittel silikatarm sind. Studienkoautorin Ágnes Kóspál vom Konkoly-Observatorium in Budapest merkte an, dass die Mittelinfrarot-Emissionen und Spektraldaten von Webb es ermöglichten, diese Zusammensetzungen zu identifizieren. Dies biete einen Weg zur Erforschung von Planetenembryos, die ansonsten zu klein sind, um direkt beobachtet zu werden.

Das Team fand heraus, dass silikatreiche Scheiben durch hochenergetische Kollisionen zwischen marsgroßen Himmelskörpern entstehen und ausschließlich um Sterne vorkommen, die jünger als 300 Millionen Jahre sind. Im Gegensatz dazu treten silikatarme Scheiben über ein deutlich breiteres Spektrum stellarer Altersstufen hinweg auf.

Zeitrahmen für die Bildung erdähnlicher Planeten

Die Grenze von 300 Millionen Jahren deckt sich mit theoretischen Modellen zur Planetenentstehung. Computersimulationen weisen darauf hin, dass sich Gesteinsplaneten innerhalb der ersten paar hundert Millionen Jahre nach der Entstehung eines Sternsystems bilden. Diese zeitliche Abfolge passt zu Modellen unseres Sonnensystems, wonach Erde und Mond etwa 100 Millionen Jahre nach der Sonne entstanden sind.

„Wie Gesteinsplaneten entstanden sind und wie sich Gasriesen entwickelt haben, ist Teil der größeren Geschichte über die Entstehung unseres Sonnensystems – alles greift ineinander“, so Su. „Unsere Arbeit über extreme Trümmerscheiben hilft uns, das Gesamtbild unseres bisherigen Wissens zusammenzufügen.“

Die Wissenschaftler planen weitere Beobachtungen, um ihre demografischen Modelle zu untermauern. Koautor Attila Moór vom Konkoly-Observatorium wies darauf hin, dass die aktuelle Stichprobe nur drei ältere Scheiben enthält, die den Alterskriterien entsprechen, um das Fehlen von silikatreichem Material fundiert zu prüfen. Zusätzliche Beobachtungen älterer extremer Trümmersysteme sollen nun zeigen, ob die Signaturen hochenergetischer Einschläge bei alternden Sternen tatsächlich vollständig verschwinden.