Originalveröffentlichung am 01.10.2026 zu finden unter: https://science.nasa.gov/mission/webb/latestnews/

Zusammenfassung: Das Teleskop geht über das bloße Streifen der Oberfläche dieser staubigen, chaotischen Systeme hinaus

Vor etwa 20 Jahren entdeckte das Spitzer-Weltraumteleskop eine rätselhafte Unterklasse zirkumstellarer Scheiben – Ringe aus Staub und Gestein, die um bereits entwickelte Sterne kreisen. Nun hat ein Astronomenteam das James-Webb-Weltraumteleskop genutzt, um diese unverständlichen Umgebungen, bekannt als extreme Trümmerscheiben, genauer zu untersuchen. In diesen Scheiben kollidieren Objekte von der Größe des Mondes oder sogar des Mars miteinander, wodurch gewaltige Mengen an warmem Staub entstehen. Dank der bis heute umfangreichsten Durchmusterung dieser Scheiben verfügt das Team über genügend Daten, um deren Zusammensetzung, Ursprung sowie die Verbindung mit der Planetenentstehung und -entwicklung zu erforschen – auch im Hinblick auf unser eigenes Sonnensystem.

In der Frühzeit unseres Sonnensystems, so die Wissenschaftler, kollidierte ein marsgroßes Objekt namens Theia mit der jungen Erde; dabei wurden gewaltige Mengen Gestein verdampft und in den Weltraum geschleudert. Ein Teil dieses Materials verschmolz zum Mond – jenem Himmelskörper, zu dem die NASA im Rahmen ihres Artemis-Programms Menschen zurückbringt, um sich auf Missionen zum Mars vorzubereiten und die Zukunft der Weltraumforschung zu gestalten.

Diese gewaltige Kollision in ferner Vergangenheit bildete unseren Heimatplaneten nachhaltig um. Astronomen haben mit NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop eine Gruppe junger Sternsysteme untersucht, die Anzeichen ähnlicher Umwälzungen aufweisen, und dabei Hinweise auf die bei solchen Zusammenstößen freigesetzte Energiemenge gewonnen. Die Ergebnisse liefern Einblicke in die Zusammensetzung und Entwicklung dieser chaotischen Systeme.

Die Feststellungen des Teams wurden am Donnerstag in The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Die Umgebung eines Sterns verändert sich, während er altert: Es beginnt mit einer jungen, gasreichen protoplanetaren Scheibe, in der entstehende Planeten zu Hause sein können, bevor sie sich schließlich zu einer an Gas armen Trümmerscheibe entwickelt. Während seiner Betriebszeit untersuchte das inzwischen außer Dienst gestellte Spitzer-Weltraumteleskop der NASA das Stadium der Trümmerscheiben und entdeckte dabei eine Untergruppe, die als extreme Trümmerscheiben bezeichnet wird. Diese Systeme beherbergen ungewöhnlich große Mengen warmen Staubs in Sternnähe, in einem Bereich, der jenem gleicht, in dem in unserem Sonnensystem Gesteinsplaneten ihre Bahnen ziehen. Ein Astronomenteam unter Leitung von Kate Su vom Space Science Institute in Boulder, Colorado, untersuchte diese faszinierenden Objekte mit Webb.

Entgegen den theoretischen Vorhersagen, nach denen man eigentlich viele extreme Trümmerscheiben beobachten sollte, deuten die Beobachtungen jedoch darauf hin, daß diese Umgebungen selten sind. Auf Grundlage der bislang gesammelten Daten schätzen Wissenschaftler, daß nur rund 1 % der jungen Sterne beobachtbare Anzeichen dieser Phase aufweisen, eventuell auch unser eigenes Sonnensystem während seiner Entstehung. Trotz ihrer Seltenheit gelang es dem Team, eine Stichprobe von 21 extremen Trümmerscheiben zusammenzustellen. Fünf stammen aus Spitzer’s Archivdaten und 16 wurden mit Webb erfaßt, darunter 12 neu beobachtete Scheiben sowie Nachbeobachtungen von vier bereits durch Spitzer bekannten Objekten.

„Dies ist das erste Mal, daß wir ausreichend Systeme zusammengetragen haben, um diese Untergruppe, die wir als extreme Trümmerscheiben bezeichnen, wirklich zu verstehen“, sagte Su, Hauptautorin der Studie. „Vor Webb waren unsere Informationen begrenzt. Wir wußten, daß sie ungewöhnlich sind und sich stark von den typischen kalten Trümmerscheiben unterscheiden, die wir kennen, wie etwa bei Wega und Fomalhaut. Da uns nun mehr Daten vorliegen, können wir näher bestimmen, welche Bedeutung diese Scheiben für die Planetenentstehung und -entwicklung haben.“

Das Team bestätigte, daß extreme Trümmerscheiben drei wesentliche Merkmale aufweisen: Kleinere Staubkörner als in protoplanetaren oder klassischen Trümmerscheiben, eine hohe Konzentration an warmem Staub sowie unregelmäßige Helligkeitsschwankungen, all dies enthüllt durch Spektren im mittleren Infrarotbereich der Teleskope Webb und Spitzer.

Um die Ursache für diese Eigenschaften zu ermitteln, untersuchte das Team die mineralogische Zusammensetzung der Scheiben. Dabei stellten sie fest, daß sich die untersuchten Objekte in silikatreiche und silikatarme Scheiben einteilen ließen. Vulkanisches Glas wie Obsidian ist ein Beispiel für silikatreiches Material auf der Erde, während das silikatarme Mineral Forsterit an einigen Stränden Hawaiis in Form grüner Sandkörner in Erscheinung tritt. Die Zuordnung einer extremen Trümmerscheibe zu einer dieser Kategorien liefert Aufschluß über die Art der Kollisionen, durch die der Trümmerstaub entstanden ist, und könnte helfen, die Schwankungen ihrer Infrarothelligkeit zu erklären.

„Allein die Möglichkeit, ihre Emissionen im mittleren Infrarotbereich und die faszinierenden spektralen Merkmale mit Webb zu beobachten, was uns erlaubte, ihre Zusammensetzung zu bestimmen, war für mich das Spannendste an der Sache“, sagte Agnes Kospal vom Konkoly-Observatorium in Budapest (Ungarn), eine der Mitautorinnen der Studie. „Wir haben keine andere Möglichkeit, diese planetaren Embryos direkt zu untersuchen, da sie schlicht zu klein sind.“

Etwa ein Drittel der untersuchten Proben ist kieselsäurereich, ein Hinweis darauf, daß diese Scheiben durch hochenergetische Einschläge zwischen marsgroßen Körpern entstehen, bei denen ein erheblicher Teil des Materials verdampft. Die übrigen zwei Drittel der Proben sind kieselsäurearm, was darauf hindeutet, daß die Kollisionen in kleinerem Maßstab stattfinden, etwa als streifende Zusammenstöße zwischen mondgroßen Objekten. Silikatreiche Scheiben finden sich nur bei Sternen, die jünger als 300 Millionen Jahre sind, während silikatarme Scheiben über einen weiten Altersbereich hinweg bestehen bleiben und oft eine stärkere Helligkeitsvariabilität aufweisen. Das Team vermutet, daß diese Variabilität durch die rasche Entwicklung frischer Trümmer infolge von Bahnänderungen und weiteren Einschlägen verursacht wird.

Die Ergebnisse lassen sich auf unser eigenes Sonnensystem übertragen, das mehr als eine Phase extremer Trümmerscheiben durchlaufen haben könnte.

„Wie Gesteinsplaneten entstanden und die Entwicklung von Riesenplaneten sind Teil der umfassenderen Geschichte der Entstehung des Sonnensystems. Es ist alles eine Geschichte“, sagte Su. „Unsere Arbeit an extremen Trümmerscheiben hilft uns dabei, das Gesamtbild unseres derzeitigen Wissens zusammenzufügen.“

Simulationen legen nahe, daß sich terrestrische Planeten wie die Erde innerhalb der ersten paar hundert Millionen Jahre nach der Entstehung eines Sonnensystems bilden sollten. Dieser Zeitraum deckt sich mit dem Alter der bislang beobachteten silikatreichen extremen Trümmerscheiben und stimmt mit der Einschätzung überein, daß Erde und Mond etwa 100 Millionen Jahre nach der Sonne entstanden, wobei der Mond vermutlich aus einer Kollision der Erde mit einem marsgroßen Objekt hervorging.

Was die Frage betrifft, ob unsere Sonne eine Phase mit einer silikatarmen extremen Scheibe durchlief: Sollten ältere silikatarme Scheiben und ihre unregelmäßigen Schwankungen der Infrarothelligkeit tatsächlich auf eine Instabilität der Umlaufbahnen hindeuten, so stünde dies weitgehend im Einklang mit der Hypothese des Großen Bombardements für unser Sonnensystem. In diesem Szenario wanderten die Gasriesen über beträchtliche Entfernungen, störten dabei gravitationsbedingt die Bahnen kleinerer Himmelskörper und lösten katastrophale Kollisionen aus, welche die kurzlebigen, staubreichen Phasen hervorriefen, wie sie bei extremen Trümmerscheiben beobachtet werden.

„Natürlich gibt es noch vieles, was wir über diese Scheiben nicht wissen“, sagte Attila Moor vom Konkoly-Observatorium, ein Mitautor der Studie. „Wir erwarten keine silikatreichen Systeme unter den älteren extremen Trümmerscheiben. Unsere Stichprobe enthält nur drei Scheiben, die dieses Alterskriterium erfüllen; daher wäre es wünschenswert, weitere solcher Systeme zu beobachten, um unsere Hypothese zu bestätigen.“

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick auf ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Extreme Trümmerscheibe (Künstlerischer Entwurf)

Über das Bild: Extreme Trümmerscheiben, eine Untergruppe der Trümmerscheiben, enthalten ungewöhnlich große Mengen an warmem Staub in der Nähe ihrer Sterne; dieser Bereich ist mit der Region vergleichbar, in der in unserem Sonnensystem Gesteinsplaneten kreisen. Die Untersuchung der Zusammensetzung dieser Scheiben, insbesondere ihres Silikatgehalts, kann Informationen über die Art der Kollisionen – handelte es sich um Frontalzusammenstöße oder eher streifende Begegnungen – sowie über die Größe der kollidierenden Körper – mars- oder mondgroß – geben, die zum Staubgehalt beitragen. Diese künstlerische Darstellung veranschaulicht eine solche Kollision.

Die Analyse der Zusammensetzung extremer Trümmerscheiben kommt unserem gesammelten Verständnis über unser eigenes Sonnensystem zu Gute, das möglicherweise selbst mehr als eine Phase mit extremen Trümmerscheiben durchlaufen hat.

Zusammensetzung extremer Trümmerscheiben im Zeitverlauf

Über das Bild: Ein Forschungsteam hat mithilfe von Daten der NASA-Weltraumteleskope Spitzer und James Webb die bisher größte Stichprobe sogenannter extremer Trümmerscheiben zusammengestellt. Bei diesen jungen Sternsystemen handelt es sich um eine Untergruppe von Trümmerscheiben, die auf das Stadium der jugendlichen protoplanetaren Scheibe folgt.

Das Team interessierte sich für die mineralogische Zusammensetzung dieser jungen Sternsysteme und unterteilte ihre Stichprobe in silikatreiche und silikatarme Scheiben. Anhand dieser Klassifizierung konnten Rückschlüsse auf die Art der Kollisionen gezogen werden, die für die Entstehung dieser chaotischen, staubreichen Umgebungen verantwortlich sind.

Ihre Stichprobe enthält acht silikatreiche Scheiben (schwarze Punkte), ein Hinweis darauf, daß sie durch hochenergetische Einschläge zwischen marsgroßen Himmelskörpern entstanden sind, bei denen große Mengen Material verdampft wurde. 13 Scheiben fallen in die Kategorie silikatarm (violette Punkte), was darauf hindeutet, daß die Zusammenstöße in diesen Systemen weniger heftig verliefen und zwischen mondgroßen Objekten stattfanden. Zudem berücksichtigte das Team das Alter der jeweiligen Sterne und stellte einen interessanten Trend fest: Die silikatreichen Scheiben in der Stichprobe traten ausschließlich bei Sternen auf, die jünger als 300 Millionen Jahre sind. Die Sterne mit silikatarmen Scheiben decken hingegen ein breites Altersspektrum ab.

Die Ergebnisse der Studie prägen das wissenschaftliche Verständnis unseres eigenen Sonnensystems, das möglicherweise mehr als eine Phase extremer Trümmerscheiben durchlaufen hat. Simulationen legen nahe, daß sich erdähnliche Planeten innerhalb der ersten paar hundert Millionen Jahre bilden sollten. Dieser Zeitraum deckt sich sowohl mit der Verteilung der silikatreichen extremen Trümmerscheiben als auch mit der Ansicht von Astronomen, daß Erde und Mond etwa 100 Millionen Jahre nach der Sonne entstanden sind, wobei der Mond wahrscheinlich aus einer Kollision zwischen der Erde und einem marsgroßen Objekt hervorging.

Die Verteilung der silikatarmen Scheiben steht weitgehend im Einklang mit der Hypothese des Großen Bombardements für unser Sonnensystem. Diese besagt, daß Gasriesen große Entfernungen zurücklegten und durch ihre Gravitationswirkung die Bahnen kleinerer Himmelskörper störten. Infolge dieser Bewegungen kam es zu katastrophalen Kollisionen, die jene kurzlebigen, staubreichen Phasen hervorriefen, wie sie bei extremen Trümmerscheiben beobachtet werden.