Wie entstehen Planetensysteme wie unser Sonnensystem – und wie früh im Leben eines Sterns beginnen Planeten, ihre Bahnen zu formen? Die neueste Datenanalyse des Weltraumteleskops Gaia der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), kombiniert mit Beobachtungen des ALMA-Radioteleskops in Chile, bietet den bisher detailliertesten statistischen Einblick in das Geschehen in den inneren Teilen protoplanetarer Scheiben um sehr junge Sterne. In 31 von 98 analysierten jungen Systemen beobachteten Astronomen ein subtiles „Wackeln“ der Sterne, das eine verborgene Gesellschaft offenbart: Planeten, Braune Zwerge und zusätzliche Sterne.

Von Gaswolken zum „Baby“-Sternsystem

Jedes Sternsystem beginnt als riesige, kalte Wolke aus Gas und Staub im interstellaren Raum. Unter ihrer eigenen Schwerkraft beginnt die Wolke zu kollabieren. Während Material zum Zentrum strömt, beschleunigt sich die Wolke, flacht ab und nimmt die Form einer rotierenden Scheibe an. Im Zentrum bildet sich ein dichter, glühender Kern – der zukünftige Stern – während sich um ihn herum eine protoplanetare Scheibe ausbreitet, ein Reservoir an Material, aus dem Planeten, Monde und kleinere Körper entstehen.

Bei einigen dieser Scheiben beobachten Astronomen einen großen inneren „leeren“ Raum, einen Hohlraum im Staub in Entfernungen von einigen bis zu mehreren Dutzend Astronomischen Einheiten (AE) vom Stern. Diese Objekte werden als Übergangsscheiben (Transition Disks) bezeichnet. Die Lücken sind nicht wirklich völlig leer – sie enthalten immer noch Gas und feine Partikel – aber der Mangel an Staub ist bei Infrarot- und Millimeterwellenlängen sichtbar. Eine der Haupterklärungen war lange Zeit, dass die Hohlräume von einem massiven Planeten oder mehreren Planeten ausgehoben werden, die ihre Umlaufbahnen „reinigen“.

Dank des ALMA-Interferometers haben Astronomen in den letzten Jahren Übergangsscheiben mit unglaublicher räumlicher Auflösung abgebildet. In den von ALMA erstellten Collagen werden die Scheiben oft in Orange- und Lilatönen dargestellt, wobei hellere Ringe Ansammlungen von Millimeterstaub anzeigen. In der neuesten Arbeit wurde ein Teil dieser ALMA-Bilder – 31 „Baby“-Sternsysteme – zu einem gemeinsamen Bild zusammengestellt, auf dem sich in der unteren rechten Ecke auch eine Rekonstruktion des jungen Sonnensystems im Alter von etwa einer Million Jahren befindet, wobei die Umlaufbahn von Jupiter als Referenz markiert ist.

Gaia: Das Weltraumteleskop, das das „Taumeln“ von Sternen misst

Das Weltraumteleskop Gaia wurde 2013 mit der Hauptaufgabe gestartet, eine dreidimensionale Karte unserer Galaxie zu erstellen. In mehr als zehn Jahren Betrieb hat es die Positionen, Entfernungen und Bewegungen von etwa 2,5 Milliarden Sternen mit einer Präzision gemessen, die zuvor als unerreichbar galt. Anstelle eines klassischen „Bildes“ scannt Gaia immer wieder den gesamten Himmel ab und zeichnet winzige Verschiebungen der Sterne am Himmel auf – Astrometrie – in Winkelgrößen im Bereich von Mikrobogensekunden.

Befindet sich ein massiver Begleiter um einen Stern, sei es ein Planet, ein Brauner Zwerg oder ein anderer Stern, bewegt die Schwerkraft dieses Objekts nicht nur den Satelliten, sondern auch den Stern selbst. Anstatt friedlich durch den Raum zu gleiten, beschreibt der Stern eine winzige Spirale um den gemeinsamen Schwerpunkt des Systems. Gaia kann genau dieses „Taumeln“ – astrometrisches Wackeln – als Abweichung von der erwarteten geradlinigen Bewegung registrieren. Je massiver der Begleiter und je weiter seine Umlaufbahn ist, desto leichter ist es, dieses Signal zu erkennen.

Diese Technik wurde bereits zur Entdeckung massiver Planeten und Brauner Zwerge um ältere Sterne eingesetzt. Im Jahr 2025 wurde beispielsweise durch die Analyse von Gaia-Daten die Existenz des Super-Jupiters Gaia-4b und des Braunen Zwergs Gaia-5b um zwei massearme Sterne bestätigt, wobei Gaia zum ersten Mal eigenständig einen Exoplaneten ausschließlich durch Astrometrie entdeckte. Doch die neue Studie ging noch einen Schritt weiter: Die gleiche Methode wurde nun auf Sterne angewendet, die sich noch in der Entstehungsphase befinden und noch immer in protoplanetare Scheiben eingebettet sind.

Statistische Jagd auf Begleiter in 98 Übergangsscheiben

Das Team unter der Leitung von Miguel Vioque vom Europäischen Südobservatorium (ESO) konzentrierte sich auf 98 junge Sterne mit Übergangsscheiben. Es handelt sich um Objekte, deren Struktur bereits im Detail mit ALMA untersucht wurde, was bedeutet, dass Größe und Form ihrer Staubhohlräume gut bekannt sind. Ziel war es, zwei zusammenhängende Fragen zu beantworten: Wie oft haben solche Scheiben überhaupt massive Begleiter in den inneren Teilen des Systems und können diese Begleiter tatsächlich für die Entstehung der beobachteten Staubhohlräume verantwortlich sein.

Unter Verwendung der neuesten Gaia-Daten berechneten die Forscher sogenannte Eigenbewegungsanomalien – die Differenz zwischen der erwarteten und der gemessenen Bewegung jedes Sterns am Himmel – und analysierten den RUWE-Parameter, der misst, wie gut Gaias einfaches Punkt-Parameter-Modell die Beobachtungen beschreibt. Eine signifikante Abweichung bedeutet in der Regel, dass sich hinter einem „einfachen“ Stern ein komplexeres System mit einem Begleiter verbirgt.

Die Analyse zeigt, dass 31 der 98 Übergangsscheiben (etwa 32 % der Stichprobe) überzeugende astrometrische Anomalien aufweisen, die am besten durch das Vorhandensein eines verborgenen Begleiters erklärt werden. Durch Modellierung der Kombination aus Masse und großer Halbachse der Umlaufbahn, die das beobachtete Signal erzeugen kann, zeigten die Autoren, dass Gaia in dieser Stichprobe typischerweise Begleiter mit einem Massenverhältnis von mehr als etwa 1 % der Sternmasse in Entfernungen von etwa 0,1 bis 30 AE detektieren kann. Übersetzt handelt es sich um Objekte mit einer Masse von einigen Jupitern bis hin zu massearmen Sternen in Umlaufbahnen, die den Bereich abdecken, in dem in unserem System Erde, Jupiter und Saturn kreisen.

Sieben Kandidaten mit Planetenmasse, Braune Zwerge und zusätzliche Sterne

Das aufregendste Ergebnis der Studie ist die Identifizierung von sieben Systemen, in denen das astrometrische Signal mit einem Begleiter von Planetenmasse kompatibel ist, der kleiner als etwa 13 Jupitermassen ist. Es handelt sich um die Sterne HD 100453, J04343128+1722201, J16102955-3922144, MHO 6, MP Mus, PDS 70 und Sz 76. Einige dieser Objekte sind bereits für ihre interessanten Scheiben oder sogar zuvor entdeckte Planeten bekannt, aber Gaia bietet nun eine unabhängige Bestätigung, dass in ihren inneren Zonen tatsächlich massive gravitative „Architekten“ am Werk sind.

In acht anderen Systemen stimmen die Daten am besten mit der Existenz von Braunen Zwergen überein – Objekten mit Massen zwischen den massivsten Planeten und den kleinsten Sternen, die nicht genügend Masse haben, um langfristig die Wasserstofffusion im Kern aufrechtzuerhalten. Solche „gescheiterten“ Sternembryonen sind besonders interessant, weil sie die Grenze zwischen Planeten und Sternen verwischen: Entstehen sie wie Sterne durch den direkten Kollaps einer Wolke oder wie Planeten durch die Ansammlung von Material in einer Scheibe?

Der restliche Teil der Detektionen – schätzungsweise sechzehn Fälle – stellt wahrscheinlich zusätzliche massearme Sterne in binären oder multiplen Systemen dar. In diesen Fällen ist der Begleiter so massiv, dass er nach allen Kriterien in den stellaren Bereich fällt, obwohl er sich weiterhin umgeben von der verbleibenden Gas- und Staubscheibe entwickelt. Zusammenfassend ist der Großteil der beobachteten Begleiter massiver als 30 Jupitermassen, was bedeutet, dass Übergangsscheiben oft eine unerwartet „schwere“ Gesellschaft verbergen.

Hohlräume in Scheiben: Wo sind die Planeten, die sie gegraben haben?

Eine der Schlüsselfragen, die diese Analyse motivierten, lautet: Können die beobachteten Begleiter die großen Staubhohlräume erklären, die wir auf den ALMA-Aufnahmen der Übergangsscheiben sehen? Intuitiv sollte ein massiver Planet oder ein Brauner Zwerg auf einer entsprechenden Umlaufbahn das Material in seiner Umgebung „reinigen“ und so ringförmige Strukturen und Löcher in der Scheibe erzeugen. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Geschichte komplexer ist.

Bei etwa der Hälfte der detektierten Begleiter – die Autoren geben etwa 53 % der Fälle an – gelingt es einfachen Modellen nicht, ihre Bahnparameter und Masse mit der Größe und Form der Staubhohlräume in Einklang zu bringen. Mit anderen Worten: Selbst wenn wir wissen, dass ein Begleiter existiert, scheint er allein nicht die Scheibenstruktur erzeugen zu können, die wir beobachten. In diesen Fällen entstehen die Hohlräume wahrscheinlich durch die Einwirkung anderer, bisher unentdeckter Begleiter in größeren Entfernungen oder in Kombination mit Prozessen wie der Photoevaporation der Scheibe durch hochenergetische Strahlung des Sterns, Magnetfeldern und Turbulenzen im Gas.

Diese Ergebnisse knüpfen an die breitere „Revolution der Übergangsscheiben“ an, die seit mehr als einem Jahrzehnt andauert. Systematische Beobachtungen mit ALMA haben gezeigt, dass Ringe, Bögen und Spiralen in Scheiben nicht die Ausnahme, sondern die Regel sind. Für einen Teil dieser Strukturen wurden die Planeten, die sie erzeugen, direkt entdeckt, aber in vielen Fällen fehlt noch der „Schuldige“. Gaias astrometrischer Blick bestätigt nun, dass es in Übergangsscheiben ein reichhaltiges Inventar an massiven Begleitern gibt, aber auch, dass ihre bloße Anwesenheit nicht immer eine einfache Erklärung für alles bietet, was wir sehen.

Das junge Sonnensystem als Maßstab

In der Visualisierung der neuen Studie ist das Panel, das unserem eigenen System gewidmet ist, besonders interessant. Die Forscher haben rekonstruiert, wie das Sonnensystem im Alter von etwa einer Million Jahren ausgesehen haben könnte, als die Planeten gerade erst aus der protoplanetaren Scheibe entstanden. Die Sonne wurde in die Mitte des Bildes gesetzt (obwohl nicht explizit dargestellt), und die Umlaufbahn von Jupiter wird durch einen blauen (zyanen) Ring markiert. Dieser Ring wird auch in den anderen Panels als Referenz für den Größenvergleich verwendet: Wie viel größer oder kleiner sind die „Baby“-Sternsysteme als jenes, aus dem unsere Heimat entstanden ist.

Eine solche Darstellung ermöglicht es dem Leser, die Entfernungen intuitiv zu erfassen. Während einige Übergangsscheiben Hohlräume haben, die kleiner als Jupiters Umlaufbahn sind, erstrecken sich andere weit darüber hinaus in den Bereich, in dem in unserem System Uranus und Neptun kreisen. Zu verstehen, wie Planeten in diesen Scheiben entstehen und migrieren, bedeutet letztlich auch zu verstehen, warum unser Sonnensystem genau so geworden ist, mit vier Gesteinsplaneten im inneren Teil und vier Riesen im äußeren.

Was die neue Entdeckung über die Planetenentstehung aussagt

Die Kombination aus Gaia-Astrometrie und ALMA-Aufnahmen von Übergangsscheiben eröffnet eine neue Phase in der Erforschung der Planetenentstehung. Im Gegensatz zu einzelnen spektakulären Entdeckungen bietet diese Studie einen statistischen Einblick in eine ganze Stichprobe von fast hundert jungen Sternsystemen. Wenn diese Ergebnisse mit theoretischen Modellen kombiniert werden, wird klarer, dass Staubhohlräume nicht immer durch einen einzigen gigantischen Planeten erklärt werden können: Es ist oft wahrscheinlicher, dass es sich um mehrere Planeten, eine Kombination aus Planeten und Braunen Zwergen oder um Planeten handelt, die sich in größeren Entfernungen verbergen, als für die Gaia derzeit am empfindlichsten ist.

Andererseits bestätigt Gaias Erfolg bei der Suche nach Begleitern in Übergangsscheiben, dass sich massive Objekte tatsächlich sehr früh bilden, solange die Scheibe noch existiert. Dies fügt sich in das Gesamtbild ein, das auch andere aktuelle Entdeckungen liefern. Beispielsweise zeigten Beobachtungen des jungen Systems HOPS-315 mit dem James-Webb-Teleskop und ALMA im Jahr 2025 die ersten Spuren heißer Mineralkörner, die in einer nur wenige hunderttausend Jahre alten Scheibe aushärten – die frühesten „Samen“ zukünftiger Planeten. Solche Ergebnisse legen nahe, dass der Prozess der Bildung fester Körper extrem früh beginnt, und Gaia liefert nun den Beweis, dass massive Begleiter bereits dann die Scheibe erheblich umgestalten können.

Im globalen Bild stellen Übergangsscheiben eine Übergangsphase zwischen einer „jungen“, mit Gas und Staub gefüllten Scheibe und einem späteren Stadium dar, das von Planeten und kleineren Körpern wie Asteroiden und Kometen dominiert wird. Das Verständnis der Rolle der Begleiter in dieser Phase ist entscheidend für die Beantwortung der Frage, wie ähnlich oder unterschiedlich typische Planetensysteme in unserer Galaxie dem Sonnensystem sind.

Gaia hat die Beobachtungen beendet, aber die Daten fangen erst an zu „arbeiten“

Obwohl das Weltraumteleskop Gaia Anfang 2025 die Sammlung wissenschaftlicher Daten beendet hat, wird seine astrometrische Revolution noch Jahre andauern. Die Routinebeobachtungen endeten am 15. Januar 2025, und die Mission wurde im Frühjahr desselben Jahres formell abgeschlossen. Bis dahin wurde eine Datenbank mit Informationen über Positionen, Geschwindigkeiten und physikalische Eigenschaften von etwa 2,5 Milliarden Quellen gesammelt, von Asteroiden im Sonnensystem bis hin zu fernen Quasaren.

Bisher wurde die dritte große Datenveröffentlichung (DR3) öffentlich gemacht, aber im Hintergrund wird bereits der nächste Schritt vorbereitet. Die vierte große Datenveröffentlichung, Gaia DR4, wird für 2026 erwartet und auf den ersten 5,5 Jahren der Beobachtungen basieren. Darin sollen auch die ersten großen Sammlungen von Exoplaneten-Kandidaten erscheinen, die durch Astrometrie entdeckt wurden, potenziell Tausende neuer Planeten und Brauner Zwerge um Sterne in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Die von Vioque geleitete Studie zu Übergangsscheiben knüpft genau an diese bevorstehende Welle an. Obwohl es sich um eine gezielte Stichprobe von „nur“ 98 Sternen handelt, haben die in dieser Arbeit entwickelten Methoden gezeigt, dass Gaias Daten erfolgreich auf junge, veränderliche Quellen angewendet werden können, bei denen zusätzliche Prozesse – wie Akkretionsjets, Sternflecken und Lichtstreuung in der Scheibe – potenziell das astrometrische Signal stören. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass diese Effekte nicht dominieren und dass Astrometrie auch in den frühesten Phasen des Lebens eines Sterns robust eingesetzt werden kann.

Synergie mit den Teleskopen der Zukunft

Die Liste der Begleiter, die Gaia nun in Übergangsscheiben identifiziert hat, stellt einen idealen Katalog von Zielen für weitere Beobachtungen dar. Das James-Webb-Teleskop kann mit seinen empfindlichen Instrumenten im Infrarotbereich in die inneren Teile der Scheiben „hineinschauen“ und versuchen, die Wärmestrahlung junger Planetenmassen direkt zu detektieren oder die chemische Zusammensetzung des Gases in ihrer Nähe zu untersuchen. ALMA kann die Struktur von Staub und Gas um die von Gaia entdeckten Kandidaten weiter auflösen, während zukünftige irdische Giganten wie das Extremely Large Telescope (ELT) in der Lage sein werden, einige dieser Objekte direkt abzubilden.

Eine solche Synergie ist entscheidend für das Verständnis der Planetenentstehung. Gaia liefert einen globalen, „dynamischen“ Blick – sie zeigt uns, wie der Stern auf die Schwerkraft eines Begleiters reagiert – während ALMA, James Webb und andere Teleskope eine „Momentaufnahme“ der Scheiben und Planeten selbst liefern. Zusammen werden sie die Fälle unterscheiden, in denen ein massiver Begleiter die Dynamik dominiert, von jenen, in denen zahlreiche, vielleicht auch weniger massive Planeten, die in verschiedenen Entfernungen verteilt sind, für die Scheibenstruktur verantwortlich sind.

Mit der näher rückenden Veröffentlichung von Gaia DR4 erwarten Astronomen, dass die Zahl der bekannten Begleiter – von Planeten bis hin zu Braunen Zwergen – in jungen und reiferen Systemen dramatisch ansteigen wird. Die neuesten Ergebnisse aus Übergangsscheiben zeigen, dass sich unter ihnen wahrscheinlich eine ganze Population verborgener Objekte befinden wird, die innerhalb der Staubhohlräume agieren, genau in den Regionen, in denen sich, zumindest in unserem Fall, die entscheidenden Bausteine für die Entstehung potenziell bewohnbarer Welten befinden.