Lange Zeit blickten Astronomen auf kleine protoplanetare Scheiben um junge Sterne und sahen nur glatte, nahezu leere Ringe aus Staub und Gas. Große, helle Scheiben verblüfften schon lange mit komplexen Mustern – Ringen, Spalten und Hohlräumen, in denen vermutlich Planeten entstehen. Kompakte Systeme hingegen wirkten allzu einfach. Vielleicht entwickeln sie sich sogar ganz anders? Oder sind ihre Einzelheiten einfach zu klein, um sie zu erkennen?
Die Antwort kam aus der chilenischen Atacama-Wüste. Das Teleskopnetzwerk ALMA richtete seinen Blick in der längsten Antennenkonfiguration auf 11 der kleinsten Scheiben im Sternentstehungsgebiet Wolf. Die Beobachtungen erfolgten bei einer Wellenlänge von etwa 0,9 Millimetern. Das Winkelauflösungsvermögen erreichte 0,02 Bogensekunden – das entspricht etwa zwei astronomischen Einheiten in der Entfernung des Wolfsgebiets. Zwei Abstände von der Erde zur Sonne. Genau in diesen Maßstäben, in denen in unserem Sonnensystem die Erde, der Mars und der Asteroidengürtel kreisen, spielt sich das Geschehen ab.
In vier Scheiben erkannten die Wissenschaftler deutlich innere Strukturen: Ringe, Spalten und Hohlräume innerhalb von zehn astronomischen Einheiten vom Stern. In drei weiteren Systemen fanden sich Hinweise auf ähnliche Einzelheiten. Besonders beeindruckend ist das System Sz 112. Darin löste ALMA einen zentralen Hohlraum mit einem Radius von nur 1,6 astronomischen Einheiten auf. Das ist die kleinste bekannte Übergangsscheibe – ein Objekt mit einem inneren Hohlraum, der in seiner Größe mit der Erdumlaufbahn vergleichbar ist.
„Lange Zeit wirkten kleinere Scheiben viel einfacher als große“, bemerkt der Leiter der Studie, Pietro Curone. „Wir haben gezeigt, dass ein Teil dieses Unterschieds nur eine Illusion war, die durch unzureichendes Auflösungsvermögen entstand.“ Sobald Einzelheiten, die nur wenige astronomische Einheiten voneinander entfernt sind, unterscheidbar werden, ändert sich das Bild schlagartig.
Der Vergleich mit früheren ALMA-Durchmusterungen bestätigte den Zusammenhang: Je besser eine Scheibe aufgelöst wird, desto häufiger findet man in ihr Strukturen. Unter den Objekten, die mit ausreichender Detailgenauigkeit beobachtet wurden, fanden sich Substrukturen in etwa 44 Prozent der extrem kompakten Scheiben mit einem Radius von 3 bis 10 astronomischen Einheiten und in etwa 55 Prozent – von 10 bis 30. In Scheiben, die größer als 30 Einheiten sind, erreicht der Anteil fast 95 Prozent. Folglich „schafften“ es kleine Scheiben früher einfach nicht, ihre Komplexität zu zeigen.
Diese Ringe und Spalten sind nicht bloß schöne Muster. Die Staubkörner in einer protoplanetaren Scheibe verlieren ständig Drehimpuls und streben danach, auf den Stern zu fallen. Ohne Hindernisse würden die millimetergroßen Körner verschwinden, lange bevor die Scheibe ihre Lebenszeit vollenden kann. Ringe und Spalten weisen auf Gasdruckschwankungen hin, die Fallen bilden. Das Material wird zurückgehalten, konzentriert sich – und schafft günstige Bedingungen für das Wachstum von Planeten.
Wenn ein Teil der entdeckten Spalten tatsächlich von entstehenden Planeten ausgeschnitten wird, dann liegen die Massen dieser Körper im Bereich von Supererden und Mini-Neptunen. Genau solche Planeten kommen am häufigsten in der Nähe von Sternen vor, und genau auf solchen Bahnen waren sie bisher besonders schwer im Entstehungsprozess zu „sehen“.
Zwei Scheiben – Sz 73 und Sz 130 – hielten noch eine weitere Überraschung bereit. Hinter ihrem hellen inneren Kern entdeckte man schwache äußere Ringe. Möglicherweise sind manche „winzigen“ Systeme in Wirklichkeit ausgedehnter, als es schien.
All dies ergibt ein einheitliches Bild. Große und kompakte Scheiben sind keine verschiedenen Welten, sondern Teile eines einzigen Kontinuums. Dieselben physikalischen Prozesse wirken auf verschiedenen Maßstäben. Dort, wo früher nur leerer Raum zu sehen war, treten nun Spuren einer verborgenen Architektur hervor. Die Planeten scheinen ihre „Häuser“ viel näher an den Sternen zu bauen, als frühere Beobachtungen erkennen ließen.
Hinter dieser Arbeit steht die erstaunliche Präzision eines Instruments, das Einzelheiten von der Größe der Erdumlaufbahn in einer Entfernung von Hunderten von Lichtjahren unterscheiden kann. Und dahinter steht die Erkenntnis, wie komplex und stimmig das Universum ist. In winzigen Wolken aus Staub und Gas, die um kaum geborene Sterne kreisen, sind künftige Welten bereits angelegt. Irgendwo, in Bereichen, die mit dem inneren Teil unseres Sonnensystems vergleichbar sind, laufen gerade jetzt Prozesse ab, die einst zur Entstehung der Erde geführt haben. Der Kosmos ist nicht nur unermesslich groß – er ist unglaublich detailliert aufgebaut, und jeder neue Blick offenbart diese gewaltige, nahezu unglaubliche Verbundenheit immer tiefer.
