Webb entdeckt staubigen "Katzenschwanz" im Beta Pictoris System

10. Januar 2024

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von der NASA's Goddard Space Flight Center

Beta Pictoris, ein junges Planetensystem, das nur 63 Lichtjahre entfernt liegt, fasziniert Wissenschaftler auch nach Jahrzehnten der eingehenden Erforschung. Es besitzt den ersten um einen anderen Stern beobachteten Staubring - einen Ring aus Trümmern, der durch Zusammenstöße zwischen Asteroiden, Kometen und Planetesimalen entsteht.

Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops der NASA enthüllten einen zweiten Trümmerring in diesem System, der im Vergleich zum äußeren Ring geneigt war und zuerst gesehen wurde. Jetzt hat ein Team von Astronomen unter Verwendung des James Webb-Weltraumteleskops der NASA das Beta Pictoris-System (Beta Pic) untersucht und eine neue, zuvor unentdeckte Struktur entdeckt.

Das Team unter der Leitung von Isabel Rebollido vom Astrobiology Center in Spanien verwendete Webb's NIRCam (Near-Infrared Camera) und MIRI (Mid-Infrared Instrument), um die Zusammensetzung der zuvor entdeckten Haupt- und Sekundärtrümmerringe von Beta Pic zu untersuchen. Die Ergebnisse übertrafen ihre Erwartungen und enthüllten einen deutlich geneigten Ast aus Staub, der wie ein Katzenschwanz geformt ist und sich von der Südwestseite des Sekundärtrümmerrings erstreckt.

'Beta Pictoris ist der Trümmerring, der alles hat: Es gibt einen sehr hellen, nahen Stern, den wir sehr gut untersuchen können, und eine komplexe zirkumstellare Umgebung mit einem mehrkomponentigen Ring, Exokometen und zwei abgebildeten Exoplaneten', sagte Rebollido, Hauptautorin der Studie. 'Obwohl es zuvor Beobachtungen vom Boden in diesem Wellenlängenbereich gab, hatten sie nicht die Empfindlichkeit und die räumliche Auflösung, die wir jetzt mit Webb haben, daher haben sie dieses Merkmal nicht erkannt.'

Ein verbessertes Porträt eines Sterns mit Webb

Selbst mit Webb oder JWST war es entscheidend, Beta Pic im richtigen Wellenlängenbereich - in diesem Fall im mittleren Infrarot - zu betrachten, um den Katzenschwanz zu entdecken, da er nur in den MIRI-Daten sichtbar wurde. Webb's mittleres Infrarot-Daten enthüllten auch Unterschiede in der Temperatur zwischen Beta Pic's beiden Ringen, was wahrscheinlich auf Unterschiede in der Zusammensetzung zurückzuführen ist.

'Wir haben nicht erwartet, dass Webb enthüllt, dass es zwei verschiedene Arten von Material um Beta Pic gibt, aber MIRI hat uns deutlich gezeigt, dass das Material des Sekundärtrümmerrings und des Katzenschwanzes heißer ist als der Hauptring', sagte Christopher Stark, ein Co-Autor der Studie am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. 'Der Staub, der diesen Ring und Schwanz 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, schlossen die Forscher darauf, dass der Staub sehr poröses 'organisches refraktäres Material' sein könnte, ähnlich wie die Materie, die auf den Oberflächen von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem zu finden ist. Eine vorläufige Analyse von Material, das von der NASA-Mission OSIRIS-REx vom Asteroiden Bennu entnommen wurde, ergab zum Beispiel, dass es sehr dunkel und kohlenstoffreich ist, ähnlich wie das, was MIRI bei Beta Pic entdeckt hat.

Allerdings bleibt eine wesentliche offene Frage: Was könnte die Form des Katzenschwanzes erklären, ein einzigartiges, gebogenes Merkmal, das in Ringen um andere Sterne nicht zu sehen ist?

Rebollido und das Team haben verschiedene Szenarien modelliert, um den Katzenschwanz zu imitieren und seine Ursprünge zu entschlüsseln. Obwohl weitere Forschung und Tests erforderlich sind, präsentiert das Team eine starke Hypothese, dass der Katzenschwanz das Ergebnis eines vor nur hundert Jahren stattgefundenen Ereignisses der Staubproduktion ist.

'Es passiert etwas - wie eine Kollision - und es wird viel Staub erzeugt', erklärte Marshall Perrin, ein Co-Autor der Studie am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. 'Zuerst bewegt sich der Staub in die gleiche Umlaufbahnrichtung wie seine Quelle, aber dann beginnt er sich auch zu verteilen. Das Licht des Sterns drückt die kleinsten, flauschigsten Staubpartikel schneller weg vom Stern, während die größeren Körner sich nicht so sehr bewegen und eine lange Staubschleppe bilden.'

'Das Merkmal des Katzenschwanzes ist äußerst ungewöhnlich, und es war schwierig, die Krümmung mit einem dynamischen Modell nachzubilden', erklärte Stark. 'Unser Modell erfordert Staub, der extrem schnell aus dem System gedrängt werden kann, was wiederum darauf hindeutet, dass es sich um organisches refraktäres Material handelt.'

Das bevorzugte Modell des Teams erklärt den scharfen Winkel des Schwanzes weg vom Ring als einfache optische Täuschung. Unsere Perspektive kombiniert mit der gebogenen Form des Schwanzes erzeugt den beobachteten Winkel des Schwanzes, während in Wirklichkeit das Material des Rings nur mit einer Neigung von fünf Grad vom Ring abweicht. Unter Berücksichtigung der Helligkeit des Schwanzes schätzt das Team, dass sich im Katzenschwanz eine Menge Staub befindet, die einem großen Hauptgürtelasteroiden entspricht, der sich über 10 Milliarden Meilen erstreckt.

A recent dust production event within Beta Pic's debris disks could also explain a newly-seen asymmetric extension of the inclined inner disk, as shown in the MIRI data and seen only on the side opposite of the tail. Recent collisional dust production could also account for a feature previously spotted by the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in 2014: a clump of carbon monoxide (CO) located near the cat's tail. Since the star's radiation should break down CO within roughly one hundred years, this still-present concentration of gas could be lingering evidence of the same event.

'Our research suggests that Beta Pic may be even more active and chaotic than we had previously thought,' said Stark. 'JWST continues to surprise us, even when looking at the most well-studied objects. We have a completely new window into these planetary systems.'

These results were presented in a press conference at the 243rd meeting of the American Astronomical Society in New Orleans, Louisiana.

Provided by NASA's Goddard Space Flight Center