Beobachtungen mit dem Instrument SPHERE am Very Large Telescope (VLT) der ESO haben eine der bisher detailliertesten Galerien von Trümmerscheiben um junge Sterne geliefert. Es handelt sich um dünne, aber überraschend komplexe Staubbänder, die Sterne wie eine Art kosmische archäologische Schichten umgeben. In diesen Scheiben verbirgt sich die Spur von Kollisionen Milliarden winziger Körper – gewissermaßen „Cousins“ unserer Asteroiden und Kometen –, die Informationen darüber tragen, wie Planeten entstehen und wie ein ganzes Planetensystem reift. Astronomen betonen, dass die neue Bildersammlung, die mithilfe extremer adaptiver Optik und Koronografen entstand, eine wahre wissenschaftliche Goldmine an Daten ist, da sie zum ersten Mal auf systematische Weise das Aussehen der Scheiben, die Eigenschaften der Sterne und die verborgene Population kleiner Körper verknüpft.

Kleine Körper als Fossilien der Planetenentstehung

Um die Bedeutung dieser Beobachtungen zu verstehen, ist es gut, vor der eigenen Haustür zu beginnen – im Sonnensystem. Außer der Sonne, den Planeten und einigen Zwergplaneten kreist um uns eine riesige Population sogenannter kleiner Körper. Das sind Objekte mit einem Durchmesser von einem Kilometer bis zu mehreren hundert Kilometern, die aus Gestein, Eis oder deren Mischung bestehen. Wenn ein solches Objekt gelegentlich Gas und Staub ausstößt und dabei eine Koma und einen Schweif bildet, nennen wir es Komet; wenn es keine solche Aktivität gibt, sprechen wir von einem Asteroiden. Diese Körper sind kein „Überrest ohne Ordnung“, sondern Fossilien aus den frühen Tagen des Sonnensystems. Die Entstehung von Planeten beginnt mit mikroskopischen Staubkörnchen in der protoplanetaren Scheibe; Kollisionen und das Zusammenkleben dieser Körnchen führen zu einer Übergangsphase der sogenannten Planetesimale, und ein Teil dieser Körper wächst nie zur Größe von Planeten heran. Genau diesen angehaltenen Schritt in der Entwicklung der Materie erkennen wir heute als Asteroiden und Kometen.

Kleine Körper sind besonders wertvoll, weil sie die chemische Zusammensetzung und Struktur des ursprünglichen Baumaterials für Planeten bewahren. Im Gegensatz zu Planeten kam es in ihrem Inneren nicht zu starkem Schmelzen und Mischen, daher sind sie in vielerlei Hinsicht den Anfangsbedingungen in der Scheibe näher. Wenn wir sie im Sonnensystem untersuchen, erhalten wir Einblick in die Bedingungen, unter denen die Erde, der Mars oder die Eisriesen entstanden sind. Aber die eigentliche Frage lautet: Wie universell sind solche Prozesse und existieren ähnliche Gürtel kleiner Körper um andere Sterne?

Exoplaneten und Grenzen der direkten Abbildung

Die Antwort auf diese Frage kommt aus der Explosion der Entdeckungen von Exoplaneten in den letzten drei Jahrzehnten. Bis Dezember 2025 wurden mehr als sechstausend Planeten außerhalb des Sonnensystems bestätigt, und Statistiken zeigen, dass ein Planetensystem die Regel und nicht die Ausnahme in der Milchstraße ist. Die meisten dieser Welten wurden durch indirekte Methoden entdeckt – durch Helligkeitsänderungen der Sterne während Planetentransits oder durch winzige Schwankungen der Sterngeschwindigkeit aufgrund der Schwerkraft eines unsichtbaren Begleiters. Direkte Aufnahmen von Exoplaneten sind jedoch weiterhin selten: Weniger als hundert Planeten können als kleine, verschwommene Punkte neben einem blendenden Mutterstern gesehen werden. Aus diesen Bildern ist es schwierig, direkt an Informationen über die Population kleiner Körper wie Asteroiden und Kometen im selben System zu gelangen.

Staub als Lichtverstärker

Genau deshalb greifen Astronomen auf noch kleinere Teilchen zurück – auf Staub. In jüngeren Planetensystemen kollidieren Planetesimale ständig. Manchmal verschmelzen sie und wachsen weiter in Richtung Planetengröße, aber oft zerfallen sie einfach zu Wolken winziger Partikel. Jedes Mal, wenn ein größeres Objekt in eine Vielzahl kleinerer zerbricht, bleibt das Gesamtvolumen gleich, aber die Oberfläche vergrößert sich dramatisch. Wenn wir beispielsweise einen Asteroiden mit einem Durchmesser von einem Kilometer zu Staubkörnchen mit einem Durchmesser von einem Mikrometer mahlen würden, würde sich die Gesamtoberfläche um etwa das Milliardenfache vergrößern. Eine vergrößerte Oberfläche bedeutet auch viel mehr Raum, an dem sich das Licht des Sterns streuen kann, sodass eine Scheibe aus solchem Staub viel leichter zu sehen ist als die ursprünglichen großen Körper.

Staub in Trümmerscheiben ist auf zwei Arten sichtbar. Im Infrarotbereich strahlt er Wärme ab, da er sich auf einige Dutzend oder Hundert Kelvin erwärmt, abhängig von der Entfernung zum Stern. Im sichtbaren Lichtbereich, wie ihn SPHERE registriert, streut und polarisiert der Staub überwiegend die Strahlung des Sterns. Je jünger die Scheibe ist und je häufiger Kollisionen stattfinden, desto mehr frischen Staub gibt es und desto heller ist die Scheibe. Mit der Zeit blasen Strahlungsdruck, Sternwinde und die Gravitationswirkungen der Planeten den Staub weg, sodass die Scheibe verblasst. Schätzungen zeigen, dass Trümmerscheiben in der jungen Phase, in der sie im Streulicht leicht erkennbar sind, meist jünger als etwa fünfzig Millionen Jahre sind, wonach sie immer schwerer detektierbar werden.

Das Sonnensystem als Referenz

Unser Sonnensystem ist ein Beispiel für ein System, in dem die staubreiche Phase längst vergangen ist, aber Gürtel von Planetesimalen noch immer vorhanden sind. Zwischen Mars und Jupiter befindet sich der Hauptasteroidengürtel, während sich außerhalb der Umlaufbahnen der Riesenplaneten der Kuipergürtel erstreckt, ein riesiges Reservoir eisiger Körper, die wir als langperiodische Kometen kennen. Zudem ist der Raum zwischen den Planeten mit feinem Staub gefüllt, der das Zodiakallicht erzeugt – eine schwache, dreieckige Erscheinung am Nachthimmel, die unter sehr dunklen Bedingungen nach Sonnenuntergang oder vor Sonnenaufgang sichtbar ist. Wenn ein ferner Astronom das Sonnensystem mit einer Technologie beobachten würde, die mit der heutigen vergleichbar ist, würde er wahrscheinlich kaum unsere Trümmerscheiben registrieren. Genau deshalb sind junge Systeme um benachbarte Sterne ein ideales Labor: In ihnen ist die Staubproduktion noch in vollem Gange und die Strukturen der Scheiben sind viel klarer.

Technologische Herausforderung: Wie man einen Stern „ausknipst“

Eine solche Scheibe aufzunehmen, ist jedoch technisch extrem anspruchsvoll. Die Visualisierung der Situation wird oft mit dem Versuch verglichen, eine Zigarettenrauchwolke neben einem Flutlicht eines Fußballstadions zu fotografieren, und zwar aus einigen Kilometern Entfernung. Der Glanz des Sterns übertrifft den schwachen Schimmer des Staubs um ein Vielfaches, daher ist die erste Aufgabe des Teleskops – das Licht des Sterns zu dämpfen, ohne dabei das schwache Licht der Scheibe zu beschädigen. Genau bei dieser Aufgabe brilliert das Instrument SPHERE, das seit 2014 an einem der vier Teleskope des VLT auf dem Cerro Paranal in Chile installiert ist. SPHERE ist ein spezialisiertes System für sehr hohen Kontrast um helle Sterne und kombiniert extreme adaptive Optik, einen außergewöhnlich stabilen optischen Pfad und eine Reihe von Koronografen.

Das Herz des Instruments bildet die extreme adaptive Optik. Die Erdatmosphäre verzerrt ständig die Lichtwellen, die aus dem Weltall kommen, was selbst an den ruhigsten Standorten Flimmern und Unschärfe des Bildes verursacht. SPHERE verwendet einen verformbaren Spiegel mit einer großen Anzahl von Aktuatoren, der sich hunderte Male pro Sekunde anpasst, um Turbulenzen in Echtzeit aufzuheben. Zudem wird in den optischen Pfad eine kleine Scheibe – ein Koronograf – eingefügt, der den stärksten Teil des Sternenglanzes blockiert. Das Prinzip ähnelt dem Abschirmen der Sonne mit der Handfläche, um die Umgebung besser zu sehen: Durch das Eliminieren des Blendens öffnet sich der Blick auf viel schwächere Strukturen um den Stern. Ein zusätzlicher Vorteil von SPHERE ist die Möglichkeit polarimetrischer Messungen; Staub in der Scheibe streut und polarisiert Licht anders als der Stern selbst, sodass durch eine solche Detektion das Signal der Scheibe im Vergleich zum Hintergrund zusätzlich hervorgehoben wird.

Drei Gesichter des Instruments SPHERE

SPHERE umfasst eigentlich drei wissenschaftliche Subsysteme. Der Integralfeld-Spektrograph (IFS) ermöglicht die Aufnahme eines kleinen Feldes um den Stern in einer Reihe von Wellenlängen, was Wissenschaftlern einen dreidimensionalen „Würfel“-Datensatz liefert, in dem jeder Punkt im Bild von einem Spektrum begleitet wird. IRDIS, der Infrarot-Doppelband-Imager und Spektrograph, bietet ein breiteres Sichtfeld und die Möglichkeit, in zwei verschiedenen Farben gleichzeitig oder in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen aufzunehmen. Das dritte Subsystem, ZIMPOL, ist für den sichtbaren Bereich des Spektrums optimiert und besonders empfindlich für polarisiertes Licht, das an winzigen Teilchen gestreut wird. Die Kombination dieser Techniken verwandelt SPHERE in ein extrem leistungsfähiges „Mikroskop“ zur Untersuchung des Baumaterials von Planetensystemen.

Statistische Studie von 161 jungen Sternen

In einer neuen Studie analysierte ein Team unter der Leitung von Natalia Engler von der ETH Zürich Beobachtungen von 161 benachbarten jungen Sternen, für die Infrarotstrahlung bereits zuvor auf die Anwesenheit von Trümmerscheiben hindeutete. Die Daten wurden während einer Reihe verschiedener Beobachtungsprogramme am VLT gesammelt und nun erstmals mit denselben Verfahren zusammengeführt und verarbeitet, was einen echten statistischen Vergleich ermöglicht. Nach anspruchsvoller Reduktion und Verarbeitung der Daten gelang es den Forschern, klare Bilder von Scheiben um 51 Sterne zu extrahieren. Vier dieser Scheiben waren nie zuvor direkt aufgenommen worden, sodass die neue Galerie auch völlig neue Objekte neben detailliert verbesserten Darstellungen bereits bekannter Systeme bringt.

Vielfalt der Scheibenarchitekturen

Die resultierenden Bilder enthüllen eine verblüffende Vielfalt an Geometrien und Strukturen. Einige Scheiben werden fast von der Kante beobachtet, wie dünne, helle Linien, die die Dunkelheit des Rahmens durchschneiden und kaum ihre wahre dreidimensionale Natur offenbaren. Andere sind fast frontal zu uns aufgenommen und ähneln Ringen oder breiten Staubbändern, die die zentrale Maske, mit der der Stern verdeckt wird, einrahmen. Einzelne Systeme zeigen schmale, sehr gut definierte Ringe, während in anderen die Scheiben diffuser und auf größere Entfernungen ausgedehnt sind. Auch Asymmetrien sind sichtbar – ein Teil der Scheibe kann heller oder im Vergleich zur gegenüberliegenden Seite deformiert sein –, was auf gravitative Einflüsse unsichtbarer massereicher Körper hindeutet.

Globale Trends: Sternmasse und Scheibenmasse

Wenn eine so reiche Bildersammlung als Ganzes betrachtet wird, kommen auch systematische Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Sterne und ihrer Scheiben ans Licht. Die Analyse zeigt, dass massereichere junge Sterne in der Regel massereichere Trümmerscheiben besitzen. Dies steht im Einklang mit der Erwartung, dass massereichere Sternsysteme mit einer größeren Menge an Staub und Gas in der ursprünglichen protoplanetaren Scheibe beginnen, sodass nach der Phase der Planetenentstehung mehr Material in Form von Planetesimalen übrig bleibt. Es wurde auch ein Zusammenhang zwischen der Entfernung, in der sich die Scheibe befindet, und ihrer Gesamtmasse beobachtet: Scheiben, deren Hauptstaubgürtel sich weiter vom Stern weg erstreckt, sind oft materialreicher als kompaktere, innere Gürtel.

Trümmergürtel als Spuren von Planeten

Der faszinierendste Aspekt der neuen Galerie sind jedoch die inneren Strukturen in den Scheiben selbst. In vielen Systemen verteilt sich der Staub nicht glatt, sondern ist in einem oder mehreren ringartigen Gürteln konzentriert. Eine solche Ringstruktur erinnert stark an die Verteilung kleiner Körper im Sonnensystem, wo wir den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter sowie den Kuipergürtel außerhalb der Umlaufbahn des Neptun haben. In beiden Fällen handelt es sich um Bereiche, in denen die gravitativen Einflüsse großer Planeten die Scheibe geräumt und „geschnitzt“ haben, wobei sie Gürtel erhöhter Dichte in bestimmten Entfernungen hinterließen.

Ein ähnlicher Mechanismus ist wahrscheinlich auch in den beobachteten exoplanetaren Systemen am Werk. Riesenplaneten, insbesondere solche auf weiteren Bahnen, wirken wie kosmische Architekten: Während sie um ihren Stern kreisen, werfen sie durch Resonanzen und gravitative Wechselwirkungen einen Teil der Planetesimale aus dem System, schicken einen Teil in innere, instabile Umlaufbahnen und fangen einen Teil in geteilten resonanten Bahnen ein. Das Ergebnis ist ein Trümmergürtel mit einer scharf definierten Innenkante oder einer asymmetrischen Staubverteilung. In einigen von SPHEREs Bildern dienen genau diese scharf abgeschnittenen Kanten und hervorstechenden hellen Punkte in den Ringen als „Spuren“ möglicher, bisher nur indirekt detektierter Planeten.

Scheiben als Karte für zukünftige Beobachtungen

Es ist wichtig zu betonen, dass in einzelnen Systemen Riesenplaneten bereits direkt durch andere Programme oder Instrumente aufgenommen wurden und ihre Anwesenheit gut in die Muster passt, die in den Trümmerscheiben zu sehen sind. In anderen Fällen dienen die Scheiben als Karte für zukünftige Forschungen: Numerische Simulationen können zeigen, was für ein Planet – mit welcher Masse und auf welcher Umlaufbahn – die beobachtete Struktur erzeugen könnte. Solche Modelle leiten dann neue Aufnahmekampagnen, sei es mit dem Instrument SPHERE, sei es mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, das im Infrarotbereich nach der thermischen Signatur dieser verborgenen Riesen suchen kann.

Was zukünftige Teleskope bringen

Die neue Sammlung von Scheiben ist daher auch eine Art Katalog prioritärer Ziele für zukünftige Observatorien. Eine besondere Rolle in dieser Hinsicht wird das European Extremely Large Telescope (ELT) einnehmen, das nach derzeitigen Plänen Ende dieses Jahrzehnts das erste Licht sehen soll. Mit einem Hauptspiegel von 39 Metern Durchmesser wird das ELT eine deutlich höhere Auflösung und Lichtstärke bieten als heutige Teleskope, sodass es schwache Scheiben detaillierter kartieren und die Planeten, die sie formen, direkt aufnehmen kann. In Kombination mit den auf SPHERE entwickelten Hochkontrasttechniken sollten zukünftige Instrumente am ELT die systematische Untersuchung von Phänomenen wie Asteroiden- und Kuipergürteln in verschiedenen Sternumgebungen ermöglichen.

Wie besonders ist unser System?

Die Ergebnisse der Studie fügen sich auch in die breitere Geschichte über die Vielfalt von Planetensystemen ein. Obwohl uns die Fülle von „heißen Jupitern“, Mini-Neptunen und anderen exotischen Welten lehrt, dass das Sonnensystem nicht in jeder Hinsicht typisch ist, legt die Tatsache, dass viele Trümmerscheiben Gürtel ähnlich unseren Asteroiden- und Kuipergürteln zeigen, nahe, dass bestimmte Architekturelemente doch häufig sind. In solchen Gürteln erzeugen Kollisionen ständig frischen Staub, werfen aber auch eisige Kometen in Richtung der inneren Teile des Systems, wo sie Wasser und flüchtige Stoffe auf junge Gesteinsplaneten bringen können. In diesem Sinne sind Aufnahmen von Trümmerscheiben nicht nur ästhetisch beeindruckende Bilder, sondern auch ein Schlüssel zum Verständnis der langfristigen Bedingungen, die viel später über das Auftreten von Ozeanen, Atmosphären und potenziell bewohnbaren Welten entscheiden können.

Für Astronomen, die die Entstehung von Planeten untersuchen, stellt SPHEREs Galerie eine wichtige Verbindung zwischen frühen, gasreichen protoplanetaren Scheiben und reifen Systemen, wie wir heute in einem leben, dar. Trümmerscheiben zeigen, wie sich die ersten Generationen von Planeten in die ursprüngliche Scheibe eingeschnitten haben, wo Vorräte an kleinen Körpern zurückgeblieben sind und wie sich die gesamte Struktur verändert, während das System altert. Durch den Vergleich verschiedener Sterne, Scheiben und eventueller Planeten wird es möglich sein, eine immer detailliertere Chronologie der Entwicklung von Planetensystemen aufzubauen und die Frage zu beantworten, wie häufig die Kombination ist, die in unserem Fall zu stabilen Umlaufbahnen, gemäßigten Bedingungen und einem vielfältigen Menü potenzieller „Erden“ um andere Sterne geführt hat.