Erster Blick auf die Schneegrenze eines Planetensystems

Astronomen haben erstmals in einem fremden Planetensystem die sogenannte Schneelinie aufgenommen – die Grenze, ab der Wasserdampf und andere Gase ausfrieren und zu Eis werden. Sie bestimmt, wo welche Art von Planeten in einem solchen System entstehen kann. So bilden sich erdähnliche Planeten nur innerhalb der Schneegrenze von Wasser, Gasriesen aber nur außerhalb der Schneegrenze von Kohlendioxid. Der jetzt mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gewonnene Einblick liefert daher auch wertvolle Informationen über die Frühzeit unseres Sonnensystems, so die Forscher in „Science“.

Auf der Erde bildet sich die Schneegrenze in großen Höhen, wo niedrige Temperaturen Luftfeuchtigkeit in Schnee verwandeln. An Bergen ist dies dort, wo der schneebedeckte Gipfel in nacktes Gestein übergeht, deutlich erkennbar. Die Schneegrenzen um junge Sterne bilden sich auf ähnliche Art und Weise in den kalten Außenbereichen der Gas- und Staubscheiben, in denen Planetensysteme entstehen. Mit zunehmendem Abstand vom Stern friert zunächst Wasser aus und bildet die erste Schneegrenze. Weiter draußen, bei noch kühleren Temperaturen, frieren weitere Stoffe aus und werden zu Schnee, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Kohlenstoffmonoxid (CO).

Klebstoff der Planeten-Bausteine

In festem Zustand umgeben diese Stoffe Staubkörner mit einer Art klebriger Hülle. Sie spielen daher eine entscheidende Rolle beim Wachstum der Staubkörner: Sie verhindern, dass die Staubkörner bei Kollisionen auseinanderbrechen und ermöglichen ihnen so, zu den Grundbausteinen von Planeten und Kometen zu werden. Der Schnee vergrößert zusätzlich den Anteil fester Materie in der Scheibe und könnte dadurch den Prozess der Planetenentstehung beschleunigen.

Jede einzelne dieser Schneegrenzen – für Wasser, Kohlenstoffdioxid, Methan und Kohlenmonoxid – könnte mit der Entstehung bestimmter Typen von Planeten zusammenhängen. Um einen sonnenähnlichen Stern, in einem Planetensystem wie dem unsrigen, würde die Wasser-Schneegrenze dem Bereich zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter entsprechen, während die Kohlenstoffmonoxid-Schneegrenze etwa bei der Umlaufbahn des Planeten Neptun läge.

TW Hydrae als Modell unseres eigenen Systems

ALMA hat jetzt einen ersten Blick auf die Kohlenstoffmonoxid-Schneegrenze um den jungen Stern TW Hydrae geworfen, der 175 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Astronomen gehen davon aus, dass dieses angehende Planetensystem ähnliche Eigenschaften besitzt wie unser eigenes Sonnensystem, als erst wenige Millionen Jahre alt war.

Diese Illustration der Schneegrenzen um TW Hydrae zeigt die mit Wassereis benetzten Staubkörner im inneren Bereich der protoplanetaren Scheibe (4,5-30 Astronomische Einheiten, blau) und die mit Kohlenstoffmonoxid-Eis benetzten Staubkörner im Außenbereich der Scheibe (>30 Astronomische Einheiten, grün). Der Übergangsbereich von grün nach blau entspricht der Kohlenstoffmonoxid-Schneegrenze. © B. Saxton & A. Angelich/ NRAO/ AUI/ NSF/ ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

„Dank ALMA haben wir jetzt das erste echte Bild der Schneegrenze um einen jungen Stern. Das verrät uns einiges über die erste Phase der Geschichte unseres eigenen Sonnensystems”, sagt Chunhua Qi vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (USA), einer der beiden Hauptautoren. „Damit sind wir in der Lage Details über die eisigen Außenbereiche eines fernen, sonnensystem-ähnlichen Planetensystems zu erfahren, die uns zuvor verborgen geblieben sind.”

Tatsächlich könnte das Vorhandensein der Kohlenstoffmonoxid-Schneegrenze noch weitere Konsequenzen als nur die Entstehung von Planeten haben. Kohlenstoffmonoxid-Eis wird für die Entstehung von Methanol benötigt, einem der Grundbausteine komplexerer organischer Moleküle. Kometen könnten derartige Moleküle zu den im Entstehen begriffenen erdähnlichen Planeten weiter innen befördert haben. Auf diese Weise wären Zutaten, die für die Entstehung des Lebens notwendig sind, auf diese Planeten gelangt.

Bisher hatten sich die Schneegrenzen der Beobachtung entzogen, da sie in einem relativ dünnen Bereich im Inneren der protoplanetaren Scheibe um den Stern entstehen. Ihre exakte Position und Ausdehnung ließ sich daher nicht bestimmen. Ober- und unterhalb der dünnen Schicht, in der die Schneegrenzen existieren, verhindert die vom Stern ausgehende Strahlung die Bildung von Eis. Durch die starke Konzentration von Gas und Staub in der zentralen Ebene wird dieser Bereich von der Strahlung abgeschirmt, so dass Kohlenstoffmonoxid und andere Gase abkühlen und ausfrieren können.

Strahlung eines exotischen Moleküls als Indikator

Das Astronomenteam gelang der Blick in das Innere der Scheibe mit einem Trick: Anstatt nach dem Schnee selbst zu schauen, suchten sie nach einem Molekül namens Diazenyl (N2H+), das im Millimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums strahlt und daher mit ALMA hervorragend beobachtet werden kann. Dieses Molekül reagiert sehr leicht mit Kohlenstoffmonoxidgas und wird dabei zerstört. In nachweisbaren Mengen ist es daher nur dort zu finden, wo das Kohlenstoffmonoxid zu Schnee ausgefroren ist und das Diazenyl daher nicht länger zerstören kann. Auf diese Weise wird die Anwesenheit von Diazenyl der Schlüssel zum Nachweis von Kohlenstoffmonoxid-Schnee.

Die einzigartige Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen von ALMA ermöglichen es den Astronomen, das Vorhandensein und die Verteilung von Diazenyl zu untersuchen. Dabei sind sie auf eine scharfe Grenze bei einem Abstand von etwa 30 Astronomischen Einheiten (also dem 30-fachen Abstand Erde-Sonne) vom Stern gestoßen. Die Messungen entsprechen einer Art Negativbild der Verteilung von Kohlenstoffmonoxid-Schnee in der Scheibe um TW Hydrae. Die Kohlenstoffmonoxid-Schneegrenze befindet sich demnach genau dort, wo sie auch der Theorie nach liegen sollte – am Innenrand des Diazenyl-Rings.

„Für unsere Beobachtungen standen uns nur 26 der 66 Antennen von ALMA zur Verfügung. Anzeichen für den Nachweis der Schneegrenzen bei anderen Sternen haben sich inzwischen noch in weiteren ALMA-Daten gezeigt, und wir gehen daher davon aus, dass zukünftige Beobachtungen mit der gesamten Anlage noch viele weitere solcher Schneegrenzen werden nachweisen können. Uns erwarten viele spannende Einblicke in die Entstehung und Entwicklung von Planeten – wir müssen nur abwarten”, schließt Michiel Hogerheijde von der Sterrewacht Leiden in den Niederlanden.

(ESO / Max-Planck-Institut für Astronomie, 19.07.2013 – NPO)