NASA’s Webb entdeckt staubigen “Katzenschwanz” im Beta-Pictoris-System

Originalveröffentlichung am 10.01.2024 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Neue Beobachtungen im Infrarotlicht deuten auf eine kürzlich erfolgte massive Kollision hin

Seit den 1980er Jahren fasziniert das Planetensystem um den Stern Beta Pictoris die Wissenschaftler. Auch nach jahrzehntelangen Untersuchungen birgt es noch immer Überraschungen.

Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat ein aufregendes neues Kapitel der Geschichte von Beta Pic aufgeschlagen, das neue Details über die Zusammensetzung seiner Trümmerscheiben und eine nie zuvor gesehene Staubspur, die einem Katzenschwanz ähnelt, enthält. Ein Team von Astronomen geht davon aus, daß es sich bei diesem Merkmal um eine relativ neue Ergänzung des Planetensystems handelt – ein Schweif, der nicht so alt ist wie diese Welt.

Beta Pictoris, ein junges Planetensystem in nur 63 Lichtjahren Entfernung, fasziniert die Wissenschaftler auch nach jahrzehntelanger eingehender Untersuchung. Es besitzt die erste Staubscheibe, die um einen anderen Stern herum abgebildet wurde – eine Scheibe aus Trümmern, die durch Kollisionen zwischen Asteroiden, Kometen und Planetesimalen entstanden ist. Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops der NASA offenbarten eine zweite Trümmerscheibe in diesem System, die in Bezug auf die äußere Scheibe, die zuerst gesehen wurde, geneigt ist. Nun hat ein Astronomenteam, das NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop einsetzt, um das Beta-Pictoris-System (Beta Pic) abzubilden, eine neue, bisher ungesehene Struktur entdeckt.

Das Team unter der Leitung von Isabel Rebollido vom Astrobiologischen Zentrum in Spanien untersuchte mit NIRCam (Nahinfrarotkamera) und MIRI (Mittelinfrarotinstrument) von Webb die Zusammensetzung der zuvor entdeckten Haupt- und Sekundärtrümmerscheiben von Beta Pic. Die Ergebnisse übertrafen ihre Erwartungen und enthüllten einen stark geneigten Staubschweif, der die Form eines Katzenschwanzes hat und sich vom südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe aus erstreckt.

“Beta Pictoris ist die Trümmerscheibe, die alles hat: Sie hat einen wirklich hellen, nahen Stern, den wir sehr gut studieren können, und eine komplexe zirkumstellare Umgebung mit einer Multikomponenten-Scheibe, Exokometen und zwei abgebildeten Exoplaneten”, sagte Rebollido, Hauptautorin der Studie. “Es gab zwar schon frühere Beobachtungen vom Boden aus in diesem Wellenlängenbereich, aber sie hatten nicht die Empfindlichkeit und die räumliche Auflösung, die wir jetzt mit Webb haben, so daß sie dieses Merkmal nicht entdeckt haben.”

Ein mit Webb verbessertes Porträt eines Sterns

Selbst mit Webb, oder JWST, war es entscheidend, Beta Pic im richtigen Wellenlängenbereich – in diesem Fall im mittleren Infrarot – zu beobachten, um den Katzenschwanz zu entdecken, da er nur in den MIRI-Daten auftauchte. Die Daten von Webb im mittleren Infrarot zeigten auch Temperaturunterschiede zwischen den beiden Scheiben von Beta Pic, die wahrscheinlich auf Unterschiede in der Zusammensetzung zurückzuführen sind.

“Wir hatten nicht erwartet, daß Webb zeigen würde, daß es zwei verschiedene Arten von Material um Beta Pic gibt, aber MIRI hat uns deutlich gezeigt, daß das Material der sekundären Scheibe und des Katzenschwanzes heißer ist als die Hauptscheibe”, sagte Christopher Stark, ein Mitautor der Studie am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. “Der Staub, der diese Scheibe und den Schweif bildet, muß sehr dunkel sein, so daß wir ihn bei sichtbaren Wellenlängen nicht so leicht sehen können – aber im mittleren Infrarot leuchtet er.”

Um die höhere Temperatur zu erklären, folgerte das Team, daß es sich bei dem Staub um hochporöses “organisches feuerfestes Material” handeln könnte, ähnlich dem Material, das auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Eine vorläufige Analyse des Materials, das die NASA-Mission OSIRIS-REx vom Asteroiden Bennu entnommen hat, ergab, dass es sehr dunkel und kohlenstoffreich ist, ähnlich wie das, was MIRI bei Beta Pic entdeckt hat.

Der rätselhafte Beginn des Schweifs rechtfertigt künftige Forschung

Eine wichtige Frage bleibt jedoch noch offen: Wie läßt sich die Form des Katzenschwanzes erklären, der im Gegensatz zu Scheiben um andere Sterne einzigartig gekrümmt ist?

Rebollido und ihr Team haben verschiedene Szenarien durchgespielt, um den Katzenschwanz nachzubilden und seine Ursprünge zu entschlüsseln. Obwohl weitere Forschungen und Tests erforderlich sind, stellt das Team die starke Hypothese auf, daß der Katzenschwanz das Ergebnis eines Staubproduktionsereignisses ist, das vor nur hundert Jahren stattfand.

“Irgendetwas geschieht – etwa eine Kollision – und eine Menge Staub wird produziert”, teilte Marshall Perrin, ein Mitautor der Studie am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, mit. “Zunächst bewegt sich der Staub in die gleiche Umlaufrichtung wie seine Quelle, aber dann beginnt er sich auch auszubreiten. Das Licht des Sterns drückt die kleinsten, flauschigsten Staubteilchen schneller vom Stern weg, während sich die größeren Körner nicht so stark bewegen, so daß eine lange Staubranke entsteht.”

“Die Eigenschaft des Katzenschwanzes ist sehr ungewöhnlich, und es war schwierig, die Krümmung mit einem dynamischen Modell zu reproduzieren”, erklärt Stark. “Unser Modell setzt Staub voraus, der extrem schnell aus dem System geschoben werden kann, was wiederum darauf hindeutet, daß er aus organischem, feuerfestem Material besteht.”

Das vom Team bevorzugte Modell erklärt den scharfen Winkel des Schweifs von der Scheibe weg als eine einfache optische Täuschung. Unsere Perspektive in Kombination mit der gekrümmten Form des Schweifs erzeugt den beobachteten Winkel des Schweifs, während sich der Bogen des Materials in Wirklichkeit nur mit einer Neigung von fünf Grad von der Scheibe wegbewegt. Unter Berücksichtigung der Helligkeit des Schweifs schätzt das Team, daß die Staubmenge im Katzenschwanz der eines großen Asteroiden im Hauptgürtel mit einer Ausdehnung von 16 Milliarden Kilometern entspricht.

Eine kürzlich erfolgte Staubproduktion in den Trümmerscheiben von Beta Pic könnte auch eine neu entdeckte asymmetrische Ausdehnung der geneigten inneren Scheibe erklären, wie sie in den MIRI-Daten gezeigt wird und nur auf der dem Schweif gegenüberliegenden Seite zu sehen ist. Die jüngste kollisionsbedingte Staubproduktion könnte auch ein Merkmal erklären, das zuvor vom Atacama Large Millimeter/submillimeter Array im Jahr 2014 entdeckt wurde: ein Klumpen von Kohlenmonoxid (CO) in der Nähe des Katzenschwanzes. Da die Strahlung des Sterns das Kohlenmonoxid innerhalb von etwa hundert Jahren aufspalten sollte, könnte diese immer noch vorhandene Gaskonzentration ein verbleibender Beweis für dasselbe Ereignis sein.

“Unsere Forschungen legen nahe, daß Beta Pic noch aktiver und chaotischer sein könnte, als wir bisher angenommen haben”, so Stark. “JWST überrascht uns immer wieder, selbst bei den am besten untersuchten Objekten. Wir haben ein völlig neues Fenster zu diesen Planetensystemen.”

Diese Ergebnisse wurden auf einer Pressekonferenz bei der 243. Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft in New Orleans, Louisiana, vorgestellt.

Die Beobachtungen wurden im Rahmen des Guaranteed Time Observation program 1411 durchgeführt.

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 Weltraumorganisa-tion).

Literatur:

JWST-TST High Contrast: Asymmetries, dust populations and hints of a collision in the β Pictoris disk with NIRCam and MIRI

Beta Pictoris (MIRI Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Beta Pictoris
• Objektbeschreibung: Trümmerscheibe         
• Rektaszension: 05:47:17.08
• Deklination: -51:03:59.43
• Sternbild: Pictor
• Entfernung: 63 Lichtjahre (19 Parsec)
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 3,6 Bogensekunden (712 AU)
• Daten
• Instrument: MIRI
• Filter: F1550C, F2300C
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem MIRI-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um bestimmte Wellenlängenbereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Cyan: F1510C Orange: F2300C

Über das Bild: Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat das Sternensystem Beta Pictoris abgebildet. Mit Webb’s MIRI-Instrument (Mid-Infrared Instrument) konnte ein Team von Astronomen die Zusammensetzung der Haupt- und der sekundären Trümmerscheiben von Beta Pictoris untersuchen – letzteres Merkmal wurde zuvor vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt.

Unerwartet entdeckten Webb’s Infrarot-Fähigkeiten eine neue Struktur des Beta-Pic-Systems: einen gekrümmten Ast aus Staub, der der Form eines Katzenschwanzes ähnelt. Dieser Schweif, der nur in den MIRI-Daten erkennbar ist, erstreckt sich vom südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe und hat eine geschätzte Ausdehnung von 16 Milliarden Kilometern.

Der Staub, der den Schweif bildet, ähnelt möglicherweise der Materie, die auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Weitere Analysen sind erforderlich, um den Ursprung des Katzenschwanzes zu verstehen. Das Team geht jedoch davon aus, daß ein staubproduzierendes Ereignis – etwa eine Kollision zwischen Asteroiden, Kometen oder Planetesimalen – dafür verantwortlich ist.

Ein Koronograph (schwarzer Kreis und zwei kleine Scheiben) wurde verwendet, um das Licht des Zentralsterns abzublocken, dessen Position mit einer weißen Sternform markiert ist. In diesem Bild ist das Licht bei 15,5 Mikrometern cyan und bei 23 Mikrometern orange gefärbt (Filter F1550C bzw. F2300C).

Beta Pictoris (MIRI Ansicht – beschriftet)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Beta Pictoris
• Objektbeschreibung: Trümmerscheibe         
• Rektaszension: 05:47:17.08
• Deklination: -51:03:59.43
• Sternbild: Pictor
• Entfernung: 63 Lichtjahre (19 Parsec)
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 3,6 Bogensekunden (712 AU)
• Daten
• Instrument: MIRI
• Filter: F1550C, F2300C
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem MIRI-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um bestimmte Wellenlängenbereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Cyan: F1510C Orange: F2300C

Über das Bild: Beschriftete Version des Bildes von Beta Pictoris, aufgenommen von Webb’s MIRI (Mid-Infrared Instrument). Ein Koronograph (schwarzer Kreis und zwei kleine Scheiben) wurde verwendet, um das Licht des Zentralsterns zu blockieren. Bestimmte Merkmale sind hervorgehoben und beschriftet.

Eine weiße Linie zieht sich über die orangefarbene Haupttrümmerscheibe und ist mit “main disk plane” beschriftet. Eine dünne blau-grüne Scheibe ist um etwa fünf Grad gegen den Uhrzeigersinn zur orangefarbenen Hauptscheibe geneigt und wird durch eine blau-grüne Linie mit der Bezeichnung “extended secondary disk” hervorgehoben. Ein Teil des grauen Materials, das sich in der Nähe des Zentrums angesammelt hat, bildet eine gekrümmte Struktur oben rechts, die mit einer gelben Linie mit der Bezeichnung “cat’s tail” markiert ist.

Ein Maßstabsbalken zeigt, daß sich die Scheiben von Beta Pic über Hunderte von Astronomischen Einheiten (AE) erstrecken, wobei eine AE dem durchschnittlichen Abstand Erde-Sonne entspricht. (In unserem Sonnensystem umkreist Neptun die Sonne in einer Entfernung von 30 AE.) In diesem Bild ist das Licht bei 15,5 Mikrometern cyan und bei 23 Mikrometern orange gefärbt (Filter F1550C bzw. F2300C).

Beta Pictoris (MIRI Kompass-Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Beta Pictoris
• Objektbeschreibung: Trümmerscheibe         
• Rektaszension: 05:47:17.08
• Deklination: -51:03:59.43
• Sternbild: Pictor
• Entfernung: 63 Lichtjahre (19 Parsec)
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 3,6 Bogensekunden (712 AU)
• Daten
• Instrument: MIRI
• Filter: F1550C, F2300C
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem MIRI-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um bestimmte Wellenlängenbereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Cyan: F1510C Orange: F2300C

Über das Bild: Beschriftetes Bild des Sternsystems Beta Pictoris, aufgenommen von Webb’s MIRI (Mid-Infrared Instrument), mit Kompasspfeilen, einem Maßstabsbalken und einem Farbschlüssel als Referenz.

Die Kompasspfeile nach Norden und Osten zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel an. Beachten Sie, daß die Beziehung zwischen Norden und Osten am Himmel (von unten gesehen) im Vergleich zu den Richtungspfeilen auf einer Karte des Bodens (von oben gesehen) umgekehrt ist.

Der Maßstabsbalken ist in astronomischen Einheiten und Bogensekunden beschriftet. Eine AE ist die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne. (In unserem Sonnensystem umkreist Neptun die Sonne in einer Entfernung von 30 AE.) Bogensekunden sind ein Maß für die Winkelentfernung am Himmel. Eine Bogensekunde ist gleich 1/3600 eines Bogengrads. (Der Vollmond hat einen Winkeldurchmesser von etwa 0,5 Grad.) Die tatsächliche Größe eines Objekts, das eine Bogensekunde am Himmel bedeckt, hängt von seiner Entfernung zum Teleskop ab.

Dieses Bild zeigt unsichtbare Wellenlängen des Lichts im mittleren Infrarot, die in Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt wurden. Der Farbschlüssel zeigt, welche MIRI-Filter bei der Erfassung des Lichts verwendet wurden. Die Farbe jedes Filternamens ist die Farbe des sichtbaren Lichts, die verwendet wird, um das infrarote Licht darzustellen, das durch diesen Filter fällt.

Animation des Katzenschwanzes von Beta Pictoris

Dies ist eine Animation, die die Entstehung des Katzenschwanzes zeigt, wie sie von einem Astronomenteam vermutet wird. Diese Struktur, die im südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe von Beta Pic zu sehen ist, hat eine geschätzte Ausdehnung von 16 Milliarden Kilometern.

Die Wissenschaftler vermuten, daß der Katzenschwanz das Ergebnis einer Staubproduktion – wie eine Kollision – ist, die sich vor nur hundert Jahren ereignete. Zunächst folgt der entstehende Staub der gleichen Umlaufrichtung wie seine Quelle und beginnt dann, sich auszubreiten. Das Licht des Sterns drückt die kleinsten, flauschigsten Staubteilchen schneller vom Stern weg, während sich größere Körner nicht so stark bewegen und eine Staubspur bilden.

Aus einer Perspektive von der Kante her gesehen ist die starke Neigung des Katzenschwanzes eine optische Täuschung. Unser Blickwinkel in Verbindung mit der Krümmung des Schweifs erzeugt den beobachteten Winkel, während sich die Staubfahne in Wirklichkeit nur mit einer Neigung von fünf Grad von der Scheibe wegbewegt.