Satelliten wie der amerikanische Infrared Astronomy Satellite (Iras) und das europäische Infrared Space Observatory (Iso) brachten es vor zwanzig Jahren ans Licht: Viele junge Sterne sind von einer Scheibe aus kosmischem Staub umgeben. Nur so war der Überschuss an Strahlungsenergie im infraroten Bereich ihrer Spektren zu erklären. Er wies da-rauf hin, dass die neu entstandenen Sterne von einer Ansammlung kleiner Partikel umgeben sind, die sich auf einige hundert Grad Kelvin erwärmt haben.

Das war eine aufregende Entdeckung. Denn die Staubhüllen schienen Überbleibsel des Urnebels zu sein, aus dem die stellaren Objekte hervorgegangen waren. Die Infrarot-Teleskope lieferten damit die ersten Momentaufnahmen aus dem Endstadium der Sternengeburt. Doch die Staubscheiben bargen womög-lich noch ein größeres Geheimnis: In ihnen könnte auch jener Vorgang ablaufen, bei dem durch weitere Zusammenballung von Materie Planeten entstehen. Diese würden sich eventuell dadurch verraten, dass sie alles Material längs ihrer Umlaufbahn aufsammeln und so einen leeren Ring in der Staubscheibe erzeugen.

Allerdings dämpften Modellrechnungen allzu optimistische Erwartungen. Danach kann eine Staubscheibe mit einem Durchmesser von hundert Astronomischen Einheiten – eine Astronomische Einheit (AE) entspricht der mittleren Entfernung zwischen Erde und Sonne – maximal hundert Millionen Jahre existieren, bevor sie durch Kollisionen der Partikel untereinander und Verdampfung zerstört wird. Für die Bildung und Beobachtung von Planeten ist dies eine kurze Zeit.

Doch dann gab es eine große Über-raschung: Weitere Infrarot-Aufnahmen zeigten auch Staubscheiben um so genannte Hauptreihensterne wie die Sonne, die ihr Jugendstadium längst hinter sich haben. Sie sind in der Regel mindestens eine Milliarde Jahre alt. Wenn sie eine Hülle aus kleinen Partikeln aufweisen, muss diese also durch neuen Staub stetig nachgebildet werden. Als Quellen für den Nachschub kommen nur größere Objekte wie Asteroiden oder Kometen in Frage, die den Stern umkreisen. Wenn sie miteinander kollidieren und dabei zertrümmert werden, liefern sie das beobachtete feine Material.

Der erste Hauptreihenstern, um den eine Staubscheibe entdeckt wurde, war die nur 26 Lichtjahre entfernte Wega im Sternbild Leier (Spektrum der Wissenschaft 10/1983, S. 20). Aus diesem Grund wird die Existenz einer solchen Scheibe um einen Hauptreihenstern heute allgemein als Wega-Phänomen bezeichnet.

Eine zentrale Frage nach dieser Entdeckung lautete: Wie groß sind die Staubkörner? Den Infrarotbildern war die Antwort nicht zu entnehmen. Aufschluss gaben erst Beobachtungen im Submillimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums. Sie wurden unter anderem mit dem 1987 errichteten James-Clerk- Maxwell-Teleskop (JCMT) auf dem Mauna Kea auf Hawaii gemacht. Mit ihm gelangen Ende der 1990er Jahre spektakuläre Aufnahmen von Sternen mit Wega-Phänomen. Beim 10,5 Lichtjahre entfernten System Epsilon Eridani zum Beispiel, das zwischen einer halben und einer Milliarde Jahre alt ist, überstrahlt eine 120 AE große Scheibe im Submillimeterbereich den zentralen Stern deutlich, während sie im optischen oder infraroten Licht viel dunkler erscheint (Bild links unten; der Bahnradius des Saturn beträgt ungefähr 80 AE). Der enthaltene Staub besteht demnach aus Partikeln mit Durchmessern von etwa einem zehntel Millimeter.

Als Nächstes erhob sich damit die Frage, ob vielleicht auch unser Sonnensystem von einer solchen Staubscheibe umgeben ist. Ein konkretes Indiz dafür lieferte in den 1990er Jahren die Entdeckung des Edgeworth-Kuiper-Gürtels außerhalb der Neptunbahn mit seinen kometenartigen Objekten (Spektrum der Wissenschaft 7/1996, S. 56). Deren Größenverteilung lässt auf regelmäßige Kollisionen schließen, bei denen auch sehr kleine Trümmer anfallen. Diese könnten sich zu einer Staubscheibe ähnlich der von Epsilon Eridani ansammeln.

Doch ist weder bekannt, wie häufig solche Kollisionen stattfinden, noch mit welcher Wahrscheinlichkeit dabei kleine Fragmente entstehen. Deshalb blieb zunächst offen, ob der Kuiper-Gürtel genügend Material liefert, um eine Staubscheibe aufrechtzuerhalten. Bei der Suche nach ihr halfen auch Infrarot-Tele-skope in Erdumlaufbahnen nicht weiter. Denn ihnen verwehrt der Staub, den Asteroiden und Kometen innerhalb der Jupiterbahn abgeben, den klaren Blick auf weiter außen gelegene Regionen des Sonnensystems.

Allerdings gibt es schon seit langem sogar direkte Staubmessungen in den Weiten jenseits von Neptun und Saturn. In den 1970er und 1980er Jahren erforschten die beiden Pioneer-Raumsonden die äußersten Grenzen unseres Sonnensystems. An Bord befanden sich auch Instrumente für den Nachweis kosmischer Staubteilchen. Sie registrierten das Durchlöchern einer dünnen Metallfolie, die ein Druckgas einschloß. Somit erfasste der Detektor alle Teilchen, die groß und schnell genug waren, die Folie zu durchdringen. Für jeden solchen Einschlag speicherte der Bordcomputer den genauen Zeitpunkt. In bestimmten Intervallen wurden die gesammelten Daten dann zur Bodenstation übertragen.

Freilich bestanden Zweifel, ob die von den Pioneer-Sonden registrierten Teilchen wirklich zu einem Staubring um das Sonnensystem gehören. Im Prinzip könnten sie auch aus anderen Quellen stammen. Denkbar wären insbesondere langperiodische Kometen oder das interstellare Medium.

Schatzsuche in alten Daten

Meinen Kollegen und mir gelang es nun jedoch, diese beiden Möglichkeiten auszuscheiden. So zeigten wir mit Modellrechnungen, dass sich Staubpartikel von langperiodischen Kometen im inneren Sonnensystem konzentrieren. Daher können sie Messungen außerhalb der Umlaufbahn des Saturns nicht nennenswert verfälschen.

Den Anteil von Teilchen aus dem interstellaren Medium abzuschätzen war schwieriger. Wichtige Informationen da-zu lieferte die Sonde Ulysses, die von 1990 bis 1995 außerhalb der Ebene der Planetenbahnen (Ekliptik) die Sonne umrundete. Dabei stieß sie auf kleine Partikel, die wegen der Richtung, aus der sie kamen, nicht zu unserem Sonnensystem gehören konnten. Demnach enthält das lokale interstellare Medium tatsächlich auch kosmischen Staub, und es könnten seine Teilchen gewesen sein, die auf die Detektoren der Pioneer-Sonden trafen.

Um diese Möglichkeit zu prüfen, analysierten wir die vom Staubmesser an Bord von Ulysses gesammelten Daten genauer. Dabei stellten wir fest, dass die registrierten Teilchen in ihrer weit überwiegenden Mehrzahl zu klein waren, um die Metallfolie im Detektor der Pioneer-Sonden zu durchdringen. Partikel mit ausreichender Größe machten nur einen verschwindend geringen Anteil aus. Sie allein könnten allenfalls etwa ein Prozent der Staubkonzentration erklären, die von den Pioneer-Sonden außerhalb der Saturnbahn gemessen wurde. Die Teilchen dort müssen also zum allergrößten Teil vom Edgeworth-Kuiper Gürtel stammen.

Ihre Dichte beträgt den Pioneer-Daten zufolge etwa ein Partikel pro fünfzig Kubikkilometer. Um solch eine Konzentration aufrechtzuerhalten, müssen durchschnittlich pro Sekunde fünfzig Tonnen Staub produziert werden. Dazu genügt es, dass alle sechzig Jahre ein Objekt pulverisiert wird, das eine Masse wie der Kern des Halleyschen Kometen hat – eine realistische Annahme.

Damit ist die Staubscheibe unserer Sonne hell genug, um mit einem Infrarot-Teleskop noch in dreißig Lichtjahren Entfernung sichtbar zu sein. Gäbe es dort Astronomen, die über solch ein Instrument und die nötigen theoretischen Grundlagen verfügten, wären sie in der Lage, die Existenz des Neptuns aus der Form der Scheibe und der darin erkennbaren Strukturen abzuleiten. Aus der Tatsache, dass der Staubring nach innen deutlich an Helligkeit verliert, könnten sie zudem schließen, dass es in unserem Sonnensystem noch mindestens einen weiteren Planeten geben muss: Jupiter.

Umgekehrt eröffnet diese Erkenntnis eine verblüffend einfache neue Methode zum Nachweis extrasolarer Planeten. Diese sind in der Regel viel zu dunkel, um direkt beobachtbar zu sein. Bisher wurde ihre Existenz indirekt durch Messung ihres winzigen gravitativen Einflusses auf die Bahn des zugehörigen Zentralsterns erschlossen. Nun besteht zusätzlich die Möglichkeit, bei nahe gelegenen Sternen mit Wega-Phänomen die Struktur der Staubscheibe zu analysieren und zu prüfen, ob sie die Anwesenheit von Planeten verrät.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002, Seite 16
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