Webbs Infrarotauge enthüllt in Beta pictoris eine seltsame Staubstruktur, die einem „Katzenschwanz“ ähnelt

Neue Beobachtungen im Infrarotlicht deuten darauf hin, dass es kürzlich zu einer massiven Kollision kam

Seit den 1980er Jahren fasziniert das Planetensystem um den Stern Beta Pictoris Wissenschaftler. Selbst nach jahrzehntelanger Forschung bergen sie immer noch Überraschungen.

NASA'S James Webb-Weltraumteleskop Es hat ein aufregendes neues Kapitel in der Geschichte von Beta Pic aufgeschlagen, das neue Details über die Bildung von Trümmerscheiben und eine noch nie dagewesene Staubspur enthält, die einem Katzenschwanz ähnelt. Ein Team von Astronomen vermutet, dass es sich bei diesem Merkmal um eine relativ neue Ergänzung des Planetensystems handelt – einen Schweif, der noch nicht so alt ist wie die Zeit.

Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA hat das Sternensystem Beta Pictoris abgebildet. Webbs MIRI (Mittelinfrarot-Instrument) ermöglichte es einem Team von Astronomen, die Zusammensetzung der primären und sekundären Trümmerscheiben von Beta Pic zu untersuchen – letzteres Merkmal wurde zuvor vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt.
Unerwarteterweise entdeckten Webbs Infrarotfähigkeiten ein neues Merkmal des Beta Pic-Systems: einen gewundenen Staubzweig, der der Form eines Katzenschwanzes ähnelte. Dieser Schweif, der nur in den MIRI-Daten zu beobachten ist, erstreckt sich vom südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe und erstreckt sich schätzungsweise über 10 Milliarden Meilen.
Der Staub, der den Schweif bildet, ähnelt möglicherweise dem Material, das auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Weitere Analysen sind erforderlich, um den Ursprung des Katzenschwanzes zu verstehen, obwohl das Team davon ausgeht, dass ein stauberzeugendes Ereignis – etwa Kollisionen zwischen Asteroiden, Kometen oder Planetesimalen – dafür verantwortlich ist.
Bildquelle: NASA, ESA, CSA, STScI, Christopher Stark (NASA-GSFC), Kellen Lawson (NASA-GSFC), Jens Kammerer (ESO), Marshall Perrin (STScI)

Das Webb-Weltraumteleskop entdeckt einen staubigen „Katzenschwanz“ im Beta-Picturis-System

Beta Picturis, ein junges Planetensystem, das nur 63 Lichtjahre entfernt liegt, interessiert Wissenschaftler auch nach Jahrzehnten eingehender Forschung weiterhin. Es verfügt über die erste jemals abgebildete Staubscheibe um einen anderen Stern, eine Scheibe aus Trümmern, die bei Kollisionen zwischen Asteroiden, Kometen und kleinen Planeten entstanden sind. Notizen der NASA Hubble-Weltraumteleskop Enthülle a Zweite Trümmerscheibe In diesem System ist es gegenüber der äußeren Scheibe, die zuerst gesehen wurde, geneigt. Nun hat ein Team von Astronomen mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA eine neue, noch nie zuvor gesehene Struktur entdeckt, um das Beta-Pictoris-System (Beta Pic) abzubilden.

Das Team unter der Leitung von Isabel Rebolledo vom Zentrum für Astrobiologie in Spanien verwendete Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera) und MIRI (Mittelinfrarotinstrument), um die Zusammensetzung der zuvor von Beta Pic entdeckten primären und sekundären Trümmerscheiben zu untersuchen. Die Ergebnisse übertrafen ihre Erwartungen und enthüllten einen stark geneigten Staubzweig in Form eines Katzenschwanzes, der sich vom südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe erstreckte.

„Beta Pictoris ist eine Trümmerscheibe, die alles hat: Sie hat einen wirklich hellen, nahen Stern, den wir gut untersuchen können, eine komplexe stellare ozeanische Umgebung mit einer Scheibe aus mehreren Komponenten, Exokometen und ein paar abgebildeten Exoplaneten“, sagte Rebolledo . Hauptautor der Studie. „Obwohl es bereits frühere Beobachtungen von der Erde in diesem Wellenlängenbereich gab, hatten diese nicht die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung, die wir jetzt mit Webb haben, sodass sie dieses Merkmal nicht entdeckten.“

Dies ist eine Animation, die die Entstehung eines Katzenschwanzes zeigt, wie sie von einem Team von Astronomen vermutet wurde. Diese Struktur, die im südwestlichen Teil der sekundären Trümmerscheibe von Beta Pic sichtbar ist, erstreckt sich schätzungsweise über 10 Milliarden Meilen.

Wissenschaftler vermuten, dass der Schwanz der Katze das Ergebnis eines stauberzeugenden Ereignisses – etwa eines Aufpralls – ist, das sich erst vor hundert Jahren ereignete. Der entstehende Staub folgt zunächst der gleichen Umlaufrichtung wie seine Quelle und beginnt sich dann auszubreiten. Sternenlicht schiebt kleinere, feinere Staubpartikel schneller vom Stern weg, während sich größere Körner nicht so stark bewegen und eine Staubspur erzeugen.

Aus der Kantenperspektive ist die scharfe Neigung des Schwanzes einer Katze eine optische Täuschung. Unsere Perspektive in Kombination mit der Krümmung des Schweifs ergibt den beobachteten Winkel, während die Staubranken in Wirklichkeit die Scheibe nur mit einer Neigung von fünf Grad verlassen.

Bildquelle: NASA, ESA, CSA, STScI, Ralph Crawford (STScI)

Das Sternbild wurde mit Webb verbessert

Selbst mit dem Webb oder JWST war die Betrachtung des Beta Pic im richtigen Wellenlängenbereich – in diesem Fall im mittleren Infrarot – entscheidend für die Erkennung des Katzenschwanzes, da er nur in den MIRI-Daten auftauchte. Webbs Mittelinfrarotdaten zeigten auch Temperaturunterschiede zwischen den beiden Scheiben von Beta Pic, was wahrscheinlich auf Unterschiede in der Zusammensetzung zurückzuführen ist.

„Wir haben nicht erwartet, dass Webb verrät, dass es rund um Beta Pic zwei verschiedene Arten von Material gibt, aber MIRI hat uns deutlich gezeigt, dass das Material von der Sekundärscheibe und dem Schwanz der Katze heißer ist als das der Hauptscheibe“, sagte Christopher Stark, einer der Co-Autoren der Studie. – Studienautor am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Der Staub, der diese Scheibe und diesen Schweif bildet, muss sehr dunkel sein, sodass wir ihn bei sichtbaren Wellenlängen nicht leicht erkennen können – aber im mittleren Infrarot leuchtet er.“

Um die höhere Temperatur zu erklären, kam das Team zu dem Schluss, dass der Staub ein hochporöses „thermisches organisches Material“ sein könnte, ähnlich dem Material, das auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Zum Beispiel eine vorläufige Analyse von Material, das die NASA vom Asteroiden Bennu entnommen hat Osiris Rex Die Mission stellte fest, dass es sehr dunkel und kohlenstoffreich war, genau wie das, was MIRI in Beta Pic entdeckte.

Kommentierte Version eines Bildes von Beta Pictoris, aufgenommen mit Webbs MIRI (Mittelinfrarotinstrument). Ein Koronograph (ein schwarzer Kreis und zwei kleine Scheiben) wurde verwendet, um das Licht des Zentralsterns zu blockieren. Einige Merkmale werden hervorgehoben und klassifiziert.
Über der orangefarbenen Hauptschuttscheibe wird eine weiße Linie gezeichnet, die als „Hauptscheibenebene“ bezeichnet wird. Die dünne blaugrüne Scheibe ist gegenüber der orangefarbenen Primärscheibe etwa fünf Grad gegen den Uhrzeigersinn geneigt und wird durch eine blaugrüne Linie markiert, die als „erweiterte Sekundärscheibe“ bezeichnet wird. Etwas graue Substanz, die sich in der Nähe der Mitte ansammelt, bildet oben rechts ein gekrümmtes Merkmal, das durch eine gelbe Linie markiert ist, die als „Katzenschwanz“ bezeichnet wird.
Der Maßstabsbalken zeigt, dass die Beta-Pic-Scheiben Hunderte von Astronomischen Einheiten (AE) umfassen, wobei eine AE die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und der Sonne darstellt. (In unserem Sonnensystem umkreist Neptun die Sonne in einer Entfernung von 30 AE.) In diesem Bild ist Licht bei 15,5 Mikrometern cyan und 23 Mikrometern orange (Filter F1550C bzw. F2300C).
Bildquelle: NASA, ESA, CSA, STScI, Christopher Stark (NASA-GSFC), Kellen Lawson (NASA-GSFC), Jens Kammerer (ESO), Marshall Perrin (STScI)

Der rätselhafte Beginn des Schwanzes erfordert zukünftige Forschung

Es bleibt jedoch eine große Frage: Was könnte die Schwanzform der Katze erklären, ein einzigartig gekrümmtes Merkmal, das sich von dem unterscheidet, was man in Scheiben um andere Sterne sieht?

Rebolledo und das Team entwarfen verschiedene Szenarien, um den Schwanz einer Katze nachzuahmen und ihre Herkunft aufzudecken. Obwohl weitere Forschung und Tests erforderlich sind, stellt das Team eine starke Hypothese auf, dass der Schwanz der Katze das Ergebnis eines stauberzeugenden Ereignisses ist, das erst vor hundert Jahren stattfand.

„Etwas passiert – wie eine Kollision – und es entsteht viel Staub“, sagt Marshall Perrin, Co-Autor der Studie am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. „Zuerst bewegt sich der Staub in der gleichen Umlaufrichtung wie seine Quelle, aber er beginnt sich auch auszubreiten. Das Licht des Sterns schiebt kleinere, feinere Staubpartikel schneller vom Stern weg, während sich größere Körner nicht so stark bewegen. Es entstehen lange Staubranken.“ .

„Das Merkmal des Schwanzes einer Katze ist ziemlich ungewöhnlich und die Krümmung war in einem dynamischen Modell schwer zu reproduzieren“, erklärte Stark. „Unser Modell erfordert Staub, der sehr schnell aus dem System gedrückt werden kann, was wiederum darauf hindeutet, dass es aus feuerfestem organischem Material besteht.“

Anschauliches Bild des Sternensystems Beta Pictoris, aufgenommen mit Webbs MIRI (Mittelinfrarotinstrument), mit Kompasspfeilen, Maßstabsleiste und Farbschlüssel als Referenz.
Die Nord- und Ost-Kompasspfeile zeigen die Richtung des Bildes am Himmel an. Beachten Sie, dass die Beziehung zwischen Norden und Osten am Himmel (von unten gesehen) im Verhältnis zu den Richtungspfeilen auf der Erdkarte (von oben gesehen) umgekehrt ist.
Die Skala ist in astronomischen Einheiten und Bogensekunden beschriftet. Eine AE ist die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und der Sonne. (In unserem Sonnensystem umkreist Neptun die Sonne in einer Entfernung von 30 Astronomischen Einheiten.) Bogensekunden sind ein Maß für den Winkelabstand am Himmel. Eine Bogensekunde entspricht 1/3600 eines Bogengrades. (Der Winkeldurchmesser des Mondes beträgt etwa 0,5 Grad.) Die tatsächliche Größe eines Objekts, das eine Bogensekunde am Himmel abdeckt, hängt von seiner Entfernung vom Teleskop ab.
Dieses Bild zeigt unsichtbare Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich, übersetzt in die Farben des sichtbaren Lichts. Der Farbschlüssel zeigt, welche MIRI-Filter beim Sammeln des Lichts verwendet wurden. Die Farbe jedes Filternamens ist die Farbe des sichtbaren Lichts, das zur Darstellung des Infrarotlichts verwendet wird, das diesen Filter passiert.
Bildquelle: NASA, ESA, CSA, STScI, Christopher Stark (NASA-GSFC), Kellen Lawson (NASA-GSFC), Jens Kammerer (ESO), Marshall Perrin (STScI)

Das vom Team bevorzugte Modell erklärt den spitzen Winkel des Schwanzes vom Puck weg als eine einfache optische Täuschung. Unsere Perspektive mit der gekrümmten Form des Schweifs erzeugt den beobachteten Winkel des Schweifs, während der Materiebogen in Wirklichkeit nur mit einer Neigung von fünf Grad aus der Scheibe austritt. Unter Berücksichtigung der Helligkeit des Schwanzes schätzt das Team, dass die Staubmenge im Schwanz der Katze der eines großen Asteroidenhauptgürtels entspricht, der sich über 10 Milliarden Meilen erstreckt.

Ein kürzliches Staubproduktionsereignis innerhalb der Trümmerscheiben von Beta Pic könnte auch die neu beobachtete asymmetrische Ausdehnung der geneigten inneren Scheibe erklären, wie in den MIRI-Daten gezeigt und nur auf der dem Schweif gegenüberliegenden Seite zu sehen ist. Die jüngste Staubproduktion könnte auch für ein zuvor beobachtetes Phänomen verantwortlich sein Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array im Jahr 2014: Eine Kohlenmonoxidmasse (CO), die sich in der Nähe des Schwanzes einer Katze befindet. Da die Strahlung des Sterns das Kohlendioxid innerhalb von etwa hundert Jahren abbauen muss, könnte die noch vorhandene Gaskonzentration ein überlebender Beweis für dasselbe Ereignis sein.

„Unsere Untersuchungen deuten darauf hin, dass Beta Pic möglicherweise aktiver und chaotischer ist, als wir bisher angenommen haben“, sagte Stark. „Das James-Webb-Weltraumteleskop überrascht uns immer wieder, selbst wenn es sich um gut untersuchte Objekte handelt. Wir haben ein völlig neues Fenster zu diesen Planetensystemen.“

Diese Ergebnisse wurden in einer Pressekonferenz auf dem 243. Treffen der American Astronomical Society in New Orleans, Louisiana, vorgestellt.

Die Beobachtungen wurden im Rahmen des 1411 Assured Time Monitoring Programme durchgeführt.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst die Geheimnisse unseres Sonnensystems, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. WEB ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), geleitet wird.Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.