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Aus wirbelndem Gas und Staub entstehen Planeten. Erstmals lässt sich nun nachvollziehen, wie einströmendes Material aus sternbildenden Regionen allmählich zu planetenbildenden Scheiben wird. Die Studie unter der Leitung von Indrani Das vom Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA), mit Beteiligung des Innsbrucker Astrophysikers Eduard Vorobyov, kombiniert numerische Simulationen mit Beobachtungen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht.
Protoplanetare Scheiben entstehen um junge Sterne, wenn dichte Kerne aus Molekülwolken unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Eine äußere Hülle aus Gas und Staub, der so genannte „Envelope“, umgibt und speist dabei sowohl den jungen Stern als auch die entstehende Scheibe. Es ist zwar bekannt, dass sich Planeten in diesen Scheiben bilden und auf Kepler’schen Bahnen bewegen, also auf elliptischen Umlaufbahnen um ein wesentlich massereicheres Zentralobjekt. Der Mechanismus, durch den einströmendes Gas aus der Hülle in diese geordnete Kepler-Rotation innerhalb der Scheibe übergeht, blieb jedoch über Jahrzehnte hinweg ungeklärt. „Wir sehen hier erstmals im Detail, wie sich aus einströmendem Material eine geordnete Scheibenstruktur entwickelt“, sagt der Innsbrucker Astrophysiker Eduard Vorobyov, der an der Studie beteiligt ist. Vorobyov ist in der Forschungsgruppe Sternentwicklung und Asteroseismologie unter der Leitung von Konstanze Zwintz am Institut für Astro- und Teilchenphysik an der Uni Innsbruck tätig.
Auf Basis theoretischer und beobachtungsbasierter Hinweise zeigt die Studie nun erstmals, dass es an der Grenzfläche zwischen Hülle und Scheibe in einem jungen Stern-Scheiben-System eine klar unterscheidbare Übergangszone gibt. Diese Zone bezeichnete Das als „ENDTRANZ“ (Envelope Disk Transition Zone). Die Ergebnisse belegen, dass sich die Bewegung des einströmenden Gases über diese Übergangszone hinweg allmählich in Kepler-Bewegung verwandelt. Entscheidend ist dabei, dass dieser Übergang keineswegs abrupt erfolgt und damit früheren Modellen widerspricht.
Neue Einblicke in die Entstehung von Sternen und Planeten
„Die Existenz von ENDTRANZ ergibt sich auf natürliche Weise aus der Umverteilung von Masse und Drehimpuls während der Bildung von Scheiben um junge Sterne. Dieser Prozess bestimmt letztlich, wie sich einströmendes Material aus der Hülle, das sich langsamer als mit Kepler-Geschwindigkeit bewegt, ausbreitet, die Scheibe bildet und sich allmählich in eine geordnete Kepler-Rotation einfügt“, erklärt Indrani Das. „Die Entdeckung von ENDTRANZ ist ein wichtiger Schritt für das Verständnis der Entstehung von Sternen und Planetensystemen, einschließlich unseres eigenen Sonnensystems.“
Um ENDTRANZ zu untersuchen, führte das Team zunächst numerische Simulationen mit FEOSAD durch, einem Code, der die Entwicklung eines Stern-Scheiben-Systems vom Kollaps eines sternlosen Wolkenkerns an modelliert. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Übergang von der einfallenden, rotierenden Hülle zur rotierenden Scheibe allmählich über einen „Sprung“ innerhalb einer endlichen Breite im radialen Profil des spezifischen Drehimpulses vollzieht. Diesen Sprung identifizierte das Team als ein neues charakteristisches Kennzeichen von ENDTRANZ.
Der spezifische Drehimpuls beschreibt, wie schnell und in welchem Abstand ein Gasvolumenelement ein Objekt umkreist und ist dabei unabhängig von der Masse. Er ermöglicht ein Verständnis der Organisation von Material in einer rotierenden Scheibe, die aus einer langsam rotierenden Gaswolke entsteht. In der Scheibe findet eine dynamische Umverteilung des Drehimpulses statt. Dieser Prozess ist vergleichbar mit atmosphärischer Konvektion: Warme Luft steigt auf, kalte Luft sinkt ab, während Wärme ausgetauscht wird. „Dieser ENDTRANZ-Indikator in Form eines Sprungs im Profil des spezifischen Drehimpulses ist im Wesentlichen Ausdruck des allmählichen Übergangs in der Rotationsgeschwindigkeit. Damit bietet er einen diagnostischen Rahmen, um die physikalischen Prozesse zu verstehen, die die Entwicklung der Scheibe antreiben“, sagt Shantanu Basu von der University of Toronto, Mitautor der Studie.
Beobachtungsnachweis: Der junge Stern L1527 IRS
Das Team untersuchte zudem L1527 IRS, einen jungen Stern rund 450 Lichtjahre von der Erde entfernt in der Taurus-Molekülwolke, dessen Scheibe einen Radius von etwa 70 Astronomischen Einheiten besitzt. Mithilfe der hochauflösenden ALMA Large Program eDisk-Beobachtungen (Embedded Disks in Planet Formation) konnten die Forschenden erstmals einen ähnlichen Sprung im Radialprofil des spezifischen Drehimpulses am Hülle-Scheibe-Übergang von L1527 IRS identifizieren. Dieser Sprung erstreckt sich über eine radiale Breite von rund 16 Astronomischen Einheiten und bestätigte damit die Existenz der Übergangszone.
„Interessanterweise zeigt das modellierte ENDTRANZ deutliche lokale Variationen in der Kinematik entlang des Umfangs der Scheibe. In Verbindung mit Beobachtungen kann das neue Einblicke in die komplexe Spiralstruktur protoplanetarer Scheiben liefern“, ergänzt Vorobyov.
Die wegweisende Arbeit etabliert ENDTRANZ als ein neues Forschungsfeld in der Untersuchung der Stern- und Planetenentstehung. Sie eröffnet die Möglichkeit, die komplexe Physik dieser Übergangszone künftig genauer zu erforschen und in weiteren jungen Sternsystemen nach entsprechenden Signaturen zu suchen.
Ausführlichere Beschreibung der Grafiken bzw. Illustrationen:
Bild 1
Eine anschauliche Darstellung von ENDTRANZ, der Übergangszone zwischen der äußeren Gashülle und der protoplanetaren Scheibe eines jungen Sterns. Sie ist als rot gefärbter, ringförmiger Gürtel dargestellt, in dem das Gas schrittweise von der einfallenden Gashülle in die geordnete Kreisbewegung innerhalb der Scheibe übergeht. Die KI-generierte Illustration basiert auf einer zweidimensionalen Karte des spezifischen Drehimpulses in der Äquatorialebene, die aus numerischen Simulationen stammt.
Bild 2
Das junge protostellare System L1527 IRS, aufgenommen mit NIRCam am James-Webb-Weltraumteleskop (linkes Panel), sowie die beobachteten Gasbewegungen in diesem System aus dem ALMA-Large-Program eDisk (rechtes Panel). (a) Die radiale Variation des spezifischen Drehimpulses und (b) die Rotationsgeschwindigkeit sind auf Grundlage der blau- und rotverschobenen Geschwindigkeitskomponenten dargestellt. Ein Sprung im radialen Profil des spezifischen Drehimpulses in dem orange hervorgehobenen Bereich stellt einen Hinweis auf ENDTRANZ dar, wo der Gasfluss vom einfallend-rotierenden Envelope in eine keplersche Scheibe übergeht.
Eduard Vorobyov
Forschungsgruppe Sternentwicklung und Asteroseismologie
Institut für Astro- und Teilchenphysik
Universität Innsbruck
Mail: Eduard.Vorobiev@uibk.ac.at
Das, I., Basu, S., Ohashi, N., Vorobyov, E., & Aso, Y. (2026). Modeling the break in the specific angular momentum within the envelope–disk transition zone. The Astrophysical Journal, 1001(2), 166. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ae4725
https://www.uibk.ac.at/de/astro/research_groups/konstanze-zwintz/
Anschauliche Darstellung von ENDTRANZ, der Übergangszone zwischen Gashülle und protoplanetarer Schei ...
Quelle: Indrani Das/ASIAA
Copyright: Indrani Das/ASIAA
L1527 IRS: JWST (links) und ALMA (rechts). Gezeigt sind spezifischer Drehimpuls und Rotationsgeschwi ...
Quelle: li: NASA,ESA,CSA,STScI; re: Das
Copyright: (links) NASA, ESA, CSA, STScI; (rechts) Indrani Das/ASIAA.
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
Anschauliche Darstellung von ENDTRANZ, der Übergangszone zwischen Gashülle und protoplanetarer Schei ...
Quelle: Indrani Das/ASIAA
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L1527 IRS: JWST (links) und ALMA (rechts). Gezeigt sind spezifischer Drehimpuls und Rotationsgeschwi ...
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Copyright: (links) NASA, ESA, CSA, STScI; (rechts) Indrani Das/ASIAA.
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