Astronomie

Woraus bestehen die sogenannten Staub- und Gaswolken?

Woraus bestehen die sogenannten Staub- und Gaswolken?


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Wir lesen ständig von "Staub- und Gaswolken", die einen (oder den Anfangszustand eines) Sterns umgeben, aber aus welchen Elementen besteht dieser Staub und dieses Gas?


Die Gas- und Staubwolken, die Sterne bilden, werden normalerweise als Molekülwolken und Riesenmolekülwolken (GMCs) bezeichnet.

Das "Molekül" bedeutet, dass die meisten Atome zu Molekülen kombiniert sind, anstatt freie Atome zu sein. Der Wasserstoff ist also hauptsächlich H2 und nicht H. Dies ist wirklich wichtig, da eine Wolke aus Molekülen die Kollapswärme viel leichter abstrahlen kann als eine Wolke aus Atomen. Wenn diese Wärme nicht abgestrahlt wird, kollabiert die Wolke nicht.

Was den Inhalt angeht, haben Wolken in der Sonnenumgebung heute eine Zusammensetzung, die der der äußeren Schichten der Sonne sehr ähnlich ist: rund 90% (71%) Wasserstoff, 9% (27%) Helium 0,08% (1%) ) Sauerstoff, 0,04 % (0,5 %) Kohlenstoff und kleinere Mengen von Dingen wie Stickstoff, Silizium, Magnesium, Neon, Eisen und Schwefel. Beachten Sie, dass dies Atom-% gefolgt von (Masse-%) sind. Sehen Sie dies für eine Tabelle.

Astronomen würden es 90% (71%) Wasserstoff, 9% (27%) Helium und weniger als 1% (2%) "Metalle" nennen.

Viel früher in der Geschichte des Universums war der Anteil von Wasserstoff höher und der Anteil von allem anderen niedriger. Da die Sonne ein relativ neuer Stern ist, wurde das Gas, aus dem sie kondensierte, durch das Gas "verschmutzt", das von Generationen älterer Sterne emittiert wurde und es mit Helium und "Schwermetallen" angereichert hat.


Forscher verfolgen die Reise des Staubkorns durch das neugeborene Sonnensystem

Künstlerische Darstellung des frühen Sonnensystems zu einer Zeit, als sich noch keine Planeten gebildet hatten. Eine wirbelnde Wolke aus Gas und Staub umgab die junge Sonne. Der Schnitt durch diese sogenannte protoplanetare Scheibe zeigt ihre dreidimensionale Struktur. Bildnachweis: Heather Roper

Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Arizona hat die Geschichte eines Staubkorns, das sich bei der Geburt des Sonnensystems vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren bildete, in noch nie dagewesener Detailtiefe rekonstruiert. Die Ergebnisse geben Einblicke in die grundlegenden Prozesse, die der Entstehung von Planetensystemen zugrunde liegen, von denen viele noch immer geheimnisvoll sind.

Für die Studie entwickelte das Team eine neue Art von Gerüst, das Quantenmechanik und Thermodynamik kombiniert, um die Bedingungen zu simulieren, denen das Korn während seiner Entstehung ausgesetzt war, als das Sonnensystem eine wirbelnde Scheibe aus Gas und Staub war, die als protoplanetare bekannt war Scheibe oder Sonnennebel. Der Vergleich der Vorhersagen des Modells mit einer äußerst detaillierten Analyse der chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur der Probe sowie eines Modells des Materietransports im Sonnennebel ergaben Hinweise auf die Reise des Korns und die Umweltbedingungen, die es auf seinem Weg prägten .

Das in der Studie analysierte Getreide ist einer von mehreren Einschlüssen, die als Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse oder CAIs bekannt sind und in einer Probe des Allende-Meteoriten entdeckt wurden, der 1969 über dem mexikanischen Bundesstaat Chihuahua fiel. CAIs sind von besonderem Interesse, weil sie gehören zu den ersten Festkörpern, die sich vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren im Sonnensystem gebildet haben.

Ähnlich wie Briefmarken in einem Reisepass eine Geschichte über die Reise eines Reisenden und die Zwischenstopps auf dem Weg erzählen, eröffnen die Strukturen der Proben im Mikro- und Atommaßstab eine Aufzeichnung ihrer Entstehungsgeschichte, die von der kollektiven Umgebung kontrolliert wurde, der sie ausgesetzt waren .

„Soweit wir wissen, ist unser Papier das erste, das eine Entstehungsgeschichte erzählt, die Hinweise auf die wahrscheinlichen Prozesse bietet, die auf der Skala astronomischer Entfernungen stattgefunden haben, mit dem, was wir in unserer Probe auf der Skala von Atomentfernungen sehen“, sagte Tom Zega , Professor am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona und Erstautor der in Das Planetary Science Journal.

Zega und sein Team analysierten die Zusammensetzung der in den Meteoriten eingebetteten Einschlüsse mit modernsten Rastertransmissionselektronenmikroskopen mit atomarer Auflösung – eines in der Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility von UArizona und seines Schwestermikroskops in der Hitachi-Fabrik in Hitachinaka, Japan.

Ein Schnitt durch einen Allende-Meteoriten zeigt verschiedene kugelförmige Partikel, die als Chondren bekannt sind. Die unregelmäßig geformte "Insel" links von der Mitte ist ein Calcium-Aluminium-reicher Einschluss oder CAI. Das Getreide in dieser Studie wurde aus einem solchen CAI isoliert. Bildnachweis: Shiny Things/Wikimedia Commons

Es wurde festgestellt, dass die Einschlüsse hauptsächlich aus Mineralarten bestehen, die als Spinell und Perowskit bekannt sind, die auch in Gesteinen auf der Erde vorkommen und als Kandidatenmaterialien für Anwendungen wie Mikroelektronik und Photovoltaik untersucht werden.

Ähnliche Arten von Feststoffen kommen in anderen Arten von Meteoriten vor, die als kohlenstoffhaltige Chondrite bekannt sind und die für Planetenwissenschaftler besonders interessant sind, da sie als Überbleibsel aus der Entstehung des Sonnensystems bekannt sind und organische Moleküle enthalten, einschließlich solcher, die die Rohstoffe bereitgestellt haben könnten für das Leben.

Die genaue Analyse der räumlichen Anordnung der Atome ermöglichte es dem Team, den Aufbau der zugrunde liegenden Kristallstrukturen sehr detailliert zu untersuchen. Zur Überraschung des Teams standen einige der Ergebnisse im Widerspruch zu aktuellen Theorien über die physikalischen Prozesse, von denen angenommen wird, dass sie in protoplanetaren Scheiben aktiv sind, was sie dazu veranlasste, tiefer zu graben.

"Unsere Herausforderung besteht darin, dass wir nicht wissen, welche chemischen Wege zu den Ursprüngen dieser Einschlüsse geführt haben", sagte Zega. "Die Natur ist unser Laborbecher, und dieses Experiment fand Milliarden von Jahren vor unserer Existenz in einer völlig fremden Umgebung statt."

Zega sagte, das Team habe sich vorgenommen, die Zusammensetzung der außerirdischen Proben zu "reverse-engineeren", indem es neue Modelle entwarf, die komplexe chemische Prozesse simulierten, denen die Proben in einer protoplanetaren Scheibe unterzogen würden.

„Solche Modelle erfordern eine enge Konvergenz von Fachkenntnissen aus den Bereichen Planetenwissenschaft, Materialwissenschaft, Mineralwissenschaft und Mikroskopie, was wir uns vorgenommen haben“, fügte Krishna Muralidharan, Mitautorin der Studie und außerordentliche Professorin an der UArizona, hinzu Institut für Materialwissenschaften und -technik.

Illustration der dynamischen Geschichte, die das modellierte Teilchen während der Entstehung des Sonnensystems erfahren haben könnte. Die Analyse der mikro- und atomaren Strukturen des Teilchens und deren Kombination mit neuen Modellen, die komplexe chemische Prozesse in der Scheibe simulierten, offenbarte seine mögliche Reise über viele Umlaufbahnen um die Sonne (Rufbox und Diagramm rechts). Von der Entstehung der Erde ausgehend, wurde das Getreide in die inneren, heißeren Regionen transportiert und schließlich in kühleren Regionen angespült. Quelle: Heather Roper/Tom Zega et al.

Basierend auf den Daten, die die Autoren ihren Proben entnehmen konnten, kamen sie zu dem Schluss, dass das Teilchen, das sich in einer Region der protoplanetaren Scheibe nicht weit von der heutigen Erde bildete, dann eine Reise näher zur Sonne machte, wo es immer heißer wurde. nur um später umzukehren und an kühleren Stellen weiter von der jungen Sonne wegzuspülen. Schließlich wurde es in einen Asteroiden eingebaut, der später in Stücke zerbrach. Einige dieser Stücke wurden von der Schwerkraft der Erde eingefangen und fielen als Meteoriten.

Die Proben für diese Studie wurden aus dem Inneren eines Meteoriten entnommen und gelten als primitiv, also unbeeinflusst von Umwelteinflüssen. Es wird angenommen, dass dieses primitive Material seit seiner Entstehung vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren keine wesentlichen Veränderungen erfahren hat, was selten ist. Ob ähnliche Objekte im Asteroiden Bennu vorkommen, von dem 2023 Proben von der von UArizona geleiteten OSIRIS-REx-Mission zur Erde zurückgebracht werden, bleibt abzuwarten. Bis dahin verlassen sich Wissenschaftler auf Proben, die über Meteoriten auf die Erde fallen.

„Dieses Material ist unsere einzige Aufzeichnung dessen, was vor 4,567 Milliarden Jahren im Sonnennebel geschah“, sagte Venkat Manga, Co-Autor des Papiers und Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering der UArizona. "Die Mikrostruktur unserer Probe auf verschiedenen Skalen bis hin zur Länge einzelner Atome betrachten zu können, ist wie ein Buch aufschlagen."

Die Autoren sagten, dass Studien wie diese die Planetenforscher einem „großen Modell der Planetenentstehung“ einen Schritt näher bringen könnten – einem detaillierten Verständnis des Materials, das sich um die Scheibe bewegt, woraus es besteht und wie es zur Sonne führt und die Planeten.

Leistungsstarke Radioteleskope wie das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array oder ALMA in Chile ermöglichen es Astronomen nun, Sternsysteme bei ihrer Entwicklung zu beobachten, sagte Zega.

"Vielleicht können wir irgendwann einen Blick in die sich entwickelnden Festplatten werfen, dann können wir unsere Daten zwischen den Disziplinen wirklich vergleichen und einige dieser wirklich großen Fragen beantworten", sagte Zega. „Bilden sich diese Staubpartikel dort, wo wir sie in unserem eigenen Sonnensystem vermuten? Sind sie allen Sternsystemen gemeinsam? Sollten wir das Muster erwarten, das wir in unserem Sonnensystem sehen – Gesteinsplaneten in der Nähe des Zentralsterns und Gasriesen weiter draußen – in allen Systemen?

"Es ist eine wirklich interessante Zeit, Wissenschaftler zu sein, wenn sich diese Gebiete so schnell entwickeln", fügte er hinzu. "Und es ist großartig, an einer Institution zu sein, an der Forscher transdisziplinäre Kollaborationen zwischen führenden Astronomie-, Planeten- und Materialwissenschaften derselben Universität eingehen können."


Gas-„Wasserfälle“ enthüllen Säuglingsplaneten um Young Star

** Synopsis: Zum ersten Mal haben Astronomen mit ALMA 3D-Gasbewegungen in einer planetenbildenden Scheibe beobachtet. An drei Stellen in der Scheibe um einen jungen Stern namens HD 163296 strömt Gas wie ein Wasserfall in Lücken, die höchstwahrscheinlich durch Planeten entstehen. Diese Gasströme wurden schon lange vorhergesagt und würden die chemische Zusammensetzung der Planetenatmosphären direkt beeinflussen. Diese Forschung wird in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlicht. **

Die Geburtsstätten der Planeten sind Scheiben aus Gas und Staub. Astronomen untersuchen diese sogenannten protoplanetaren Scheiben. Protoplanetare Scheibe Die wirbelnde Scheibe aus Staub und Gas, die aus einer viel größeren Materialwolke kollabiert ist und sich schließlich zu einem vollwertigen Planetensystem entwickeln wird. Merkmale in der Scheibe können bereits die Anwesenheit junger Planeten ankündigen. die Prozesse der Planetenentstehung zu verstehen. Wunderschöne Aufnahmen von Disks, die mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) erstellt wurden. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) Gefördert von der US National Science Foundation und ihren internationalen Partnern (NRAO/ESO/NAOJ) gehört ALMA zu den komplexesten und leistungsstarke astronomische Observatorien auf der Erde oder im Weltraum. Das Teleskop besteht aus 66 hochpräzisen Parabolantennen im Norden Chiles. zeigen deutliche Lücken und Ringmerkmale im Staub, die von Säuglingsplaneten verursacht werden können.

Um mehr Gewissheit zu bekommen, dass diese Lücken tatsächlich von Planeten verursacht werden, und um einen umfassenderen Überblick über die Planetenentstehung zu erhalten, untersuchen Wissenschaftler neben Staub auch das Gas in den Scheiben. 99 Prozent der Masse einer protoplanetaren Scheibe sind Gas, von denen Kohlenmonoxid (CO) die hellste Komponente ist, die mit einer sehr charakteristischen Lichtstärke im Millimeterbereich emittiert, die ALMA beobachten kann.

Letztes Jahr demonstrierten zwei Astronomenteams eine neue Planetenjagdtechnik mit diesem Gas. Sie maßen die Geschwindigkeit von CO-Gas, das in der Scheibe um den jungen Stern HD 163296 rotiert. Lokalisierte Störungen in den Bewegungen des Gases zeigten drei planetenähnliche Muster in der Scheibe.

In dieser neuen Studie verwendeten Hauptautor Richard Teague von der University of Michigan und sein Team neue hochauflösende ALMA-Daten des Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP), um die Geschwindigkeit des Gases genauer zu untersuchen. „Mit den High-Fidelity-Daten dieses Programms konnten wir die Geschwindigkeit des Gases in drei Richtungen statt nur in einer messen“, sagte Teague. „Zum ersten Mal haben wir die Bewegung des um den Stern rotierenden Gases gemessen, auf den Stern zu oder von ihm weg und in der Scheibe nach oben oder unten.“

Einzigartige Gasflüsse

Teague und seine Kollegen sahen, wie sich das Gas an drei verschiedenen Stellen von den oberen Schichten zur Mitte der Scheibe bewegte. „Was am wahrscheinlichsten passiert, ist, dass ein Planet im Orbit um den Stern das Gas und den Staub zur Seite drückt und eine Lücke öffnet“, erklärte Teague. "Das Gas über dem Spalt kollabiert dann wie ein Wasserfall darin und verursacht einen rotierenden Gasstrom in der Scheibe."

Dies ist der bisher beste Beweis dafür, dass um HD 163296 tatsächlich Planeten entstanden sind. Aber Astronomen können nicht mit hundertprozentiger Sicherheit sagen, dass die Gasströme von Planeten verursacht werden. Zum Beispiel könnte das Magnetfeld des Sterns auch Störungen im Gas verursachen. „Im Moment könnte nur eine direkte Beobachtung der Planeten die anderen Optionen ausschließen. Aber die Muster dieser Gasströmungen sind einzigartig und es ist sehr wahrscheinlich, dass sie nur von Planeten verursacht werden können“, sagte Co-Autor Jaehan Bae von der Carnegie Institution for Science, der diese Theorie mit einer Computersimulation der Scheibe überprüfte.

Die Lage der drei vorhergesagten Planeten in dieser Studie entspricht den Ergebnissen aus dem letzten Jahr: Sie befinden sich wahrscheinlich bei 87, 140 und 237 AE. (Eine astronomische Einheit – AE – ist die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne.) Der nächstgelegene Planet zu HD 163296 hat die Hälfte der Masse von Jupiter, der mittlere Planet hat die Jupiter-Masse und der am weitesten entfernte Planet ist doppelt so groß massiv wie Jupiter.

Planetenatmosphären

Die Existenz von Gasströmen von der Oberfläche in Richtung der Mittelebene der protoplanetaren Scheibe wurde von theoretischen Modellen seit Ende der 90er Jahre vorhergesagt, aber dies ist das erste Mal, dass sie beobachtet wurden. Sie können nicht nur verwendet werden, um junge Planeten zu entdecken, sie prägen auch unser Verständnis davon, wie Gasriesenplaneten ihre Atmosphäre erhalten.

„In der mittleren Schicht der Scheibe, der sogenannten Midplane, bilden sich Planeten. Dies ist ein kalter Ort, abgeschirmt von der Strahlung des Sterns“, erklärte Teague. „Wir glauben, dass die durch Planeten verursachten Lücken wärmeres Gas aus den chemisch aktiveren äußeren Schichten der Scheibe einbringen und dass dieses Gas die Atmosphäre des Planeten bilden wird.“

Teague und sein Team hatten nicht erwartet, dass sie dieses Phänomen sehen würden. „Die Festplatte um HD 163296 ist die hellste und größte Festplatte, die wir mit ALMA sehen können“, sagte Teague. „Aber es war eine große Überraschung, diese Gasströme tatsächlich so deutlich zu sehen. Die Festplatten scheinen viel dynamischer zu sein, als wir dachten.“

„Dies gibt uns ein viel vollständigeres Bild der Planetenentstehung, als wir es uns je erträumt hätten“, sagte Co-Autor Ted Bergin von der University of Michigan. „Indem wir diese Strömungen charakterisieren, können wir bestimmen, wie Planeten wie Jupiter geboren werden, und ihre chemische Zusammensetzung bei der Geburt charakterisieren. Vielleicht können wir damit den Geburtsort dieser Planeten verfolgen, da sie sich während der Entstehung bewegen können.“

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Iris Nijman
Interimsbeauftragter für öffentliche Informationen für ALMA
[email protected]

Diese Forschung wird in einem Artikel mit dem Titel „Meridional flow in the disk around a young star“ von R. Teague et al. im Natur. Doi: 10.1038/s41586-019-1642-0

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), eine internationale Astronomieeinrichtung, ist eine Kooperation der European Southern Observatory (ESO), der US National Science Foundation (NSF) und der National Institutes of Natural Sciences (NINS) Japans in Kooperation mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie (MOST) in Taiwan und von NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) finanziert. in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

Der Bau und der Betrieb von ALMA werden von der ESO im Auftrag ihrer Mitgliedstaaten vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), verwaltet von Associated Universities, Inc. (AUI), im Auftrag von Nordamerika und vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ .) geleitet ) im Namen Ostasiens. Das Joint ALMA Observatory (JAO) sorgt für die einheitliche Leitung und Verwaltung des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von ALMA.


Sterne machen: Wie kosmischer Staub und Gas die Entwicklung von Galaxien prägen galaxy

Astronomen finden kosmischen Staub ärgerlich, wenn er ihnen die Sicht auf den Himmel versperrt, aber ohne ihn wäre das Universum sternenlos. Kosmischer Staub ist die unverzichtbare Zutat für die Entstehung von Sternen und für das Verständnis, wie sich urtümliche diffuse Gaswolken zu ausgewachsenen Galaxien zusammenfügen.

„Die Bildung von Galaxien ist eine der größten verbleibenden Fragen in der Astrophysik“, sagte Andrey Kravtsov, außerordentlicher Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of Chicago.

Astrophysiker nähern sich dieser Frage dank einer Kombination aus neuen Beobachtungen und Supercomputer-Simulationen, einschließlich derer, die von Kravtsov und Nick Gnedin, einem Physiker am Fermi National Accelerator Laboratory, durchgeführt wurden.

Gnedin und Kravtsov veröffentlichten neue Ergebnisse basierend auf ihren Simulationen in der Ausgabe vom 1. Mai 2010 von Das Astrophysikalische Journal, was erklärt, warum sich Sterne in der frühen Geschichte des Universums langsamer bildeten als viel später. Robert C. Kennicutt Jr., Direktor des Instituts für Astronomie der Universität Cambridge und Mitentdecker einer der wichtigsten Beobachtungsergebnisse zur Sternentstehung in Galaxien, der Kennicutt-Schmidt-Beziehung, wurde schnell auf das Papier aufmerksam.

In der Ausgabe vom 3. Juni 2010 von Natur, bemerkte Kennicutt, dass die jüngste Flut von Beobachtungen und theoretischen Simulationen Gutes für die Zukunft der Astrophysik verheißt. In ihrem Astrophysikalisches Journal In diesem Artikel schrieb Kennicutt: "Gnedin und Kravtsov unternehmen einen bedeutenden Schritt bei der Vereinheitlichung dieser Beobachtungen und Simulationen und liefern eine hervorragende Illustration der jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet als Ganzes."

Sternentstehungsgesetz

Das Sternentstehungsgesetz von Kennicutt setzt die Gasmenge in Galaxien in einem bestimmten Gebiet mit der Geschwindigkeit in Verbindung, mit der es sich in demselben Gebiet in Sterne verwandelt. Die Beziehung war sehr nützlich, wenn sie auf Galaxien angewendet wurde, die spät in der Geschichte des Universums beobachtet wurden, aber jüngste Beobachtungen von Arthur Wolfe von der University of California, San Diego, und Hsiao-Wen Chen, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der UChicago, zeigen dass die Beziehung für Galaxien versagt, die während der ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall beobachtet wurden.

Die Arbeit von Gnedin und Kravtsov erklärt erfolgreich, warum. "Was es zeigt, ist, dass Galaxien in frühen Entwicklungsstadien viel weniger effizient waren, ihr Gas in Sterne umzuwandeln", sagte Kravtsov.

Die Entwicklung der Sterne führt zu einer zunehmenden Menge an Staub, da Sterne Elemente produzieren, die schwerer als Helium sind, darunter Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen, die Schlüsselelemente in Staubpartikeln sind.

"Am Anfang hatten Galaxien nicht genug Zeit, um viel Staub zu produzieren, und ohne Staub ist es sehr schwierig, diese stellaren Kinderstuben zu bilden", sagte Kravtsov. "Sie wandeln das Gas nicht so effizient um wie heute Galaxien, die schon ziemlich staubig sind."

Der Sternentstehungsprozess beginnt, wenn interstellare Gaswolken immer dichter werden. Irgendwann beginnen sich die Wasserstoff- und Heliumatome in bestimmten kalten Regionen dieser Wolken zu Molekülen zu verbinden. Ein Wasserstoffmolekül entsteht, wenn sich zwei Wasserstoffatome verbinden. Im leeren Raum tun sie dies ineffizient, aber auf der Oberfläche eines kosmischen Staubteilchens finden sie sich leichter.

„Die größten Partikel des kosmischen Staubs sind wie die kleinsten Sandpartikel an guten Stränden auf Hawaii“, sagte Gnedin.

Diese Wasserstoffmoleküle sind zerbrechlich und werden durch das intensive ultraviolette Licht massereicher junger Sterne leicht zerstört. Aber in einigen galaktischen Regionen bilden dunkle Wolken, die wegen des darin enthaltenen Staubs so genannt werden, eine Schutzschicht, die die Wasserstoffmoleküle vor dem zerstörerischen Licht anderer Sterne schützt.

Sternenkindergärten

"Ich stelle mir Stars gerne als sehr schlechte Eltern vor, weil sie der nächsten Generation ein schlechtes Umfeld bieten", scherzte Gnedin. Der Staub bietet daher eine schützende Umgebung für Sternkindergärten, bemerkte Kravtsov.

"Es gibt einen einfachen Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein von Staub in diesem diffusen Gas und seiner Fähigkeit, Sterne zu bilden, und das haben wir zum ersten Mal in diesen Galaxienbildungssimulationen modelliert", sagte Kravtsov. "Es ist sehr plausibel, aber wir wissen nicht genau, ob das genau passiert."

Das Gnedin-Kravtsov-Modell liefert auch eine natürliche Erklärung dafür, warum heute vor allem Spiralgalaxien den Himmel füllen und warum kleine Galaxien langsam und ineffizient Sterne bilden.

"Wir sehen normalerweise sehr dünne Scheiben, und diese Arten von Systemen sind in Galaxienbildungssimulationen sehr schwierig zu bilden", sagte Kravtsov.

Das liegt daran, dass Astrophysiker davon ausgegangen sind, dass sich Galaxien nach und nach durch eine Reihe von Kollisionen gebildet haben. Das Problem: Simulationen zeigen, dass Galaxien beim Verschmelzen kugelförmige Strukturen bilden, die eher elliptisch als spiralförmig aussehen.

Aber zu Beginn der Geschichte des Universums waren kosmische Gaswolken ineffizient bei der Sternenbildung, so dass sie kollidierten, bevor die Sternentstehung stattfand. "Diese Arten von Fusionen können eine dünne Scheibe erzeugen", sagte Kravtsov.

Bei kleinen Galaxien könnte ihre fehlende Staubproduktion für ihre ineffiziente Sternentstehung verantwortlich sein. „All diese getrennten Beweisstücke, die irgendwie existierten, fielen alle an einen Ort“, bemerkte Gnedin. "Das mag ich als Physiker, denn Physik ist im Allgemeinen ein Versuch, die vereinigenden Prinzipien verschiedener Phänomene zu verstehen."

Es bleibt jedoch noch mehr zu tun, mit Input von neu angekommenen Postdoktoranden an der UChicago und mehr Simulationen auf noch leistungsfähigeren Supercomputern. „Das ist der nächste Schritt“, sagte Gnedin.

Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von Universität von Chicago. Hinweis: Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.


Die Reise eines Staubkorns durch ein neugeborenes Sonnensystem verfolgen


Künstlerische Darstellung des frühen Sonnensystems zu einer Zeit, als sich noch keine Planeten gebildet hatten. Eine wirbelnde Wolke aus Gas und Staub umgab die junge Sonne. Der Schnitt durch diese sogenannte protoplanetare Scheibe zeigt ihre dreidimensionale Struktur. CREDIT Heather Roper

Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Arizona hat die Geschichte eines Staubkorns, das sich bei der Geburt des Sonnensystems vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren bildete, in noch nie dagewesener Detailtiefe rekonstruiert.

Die Ergebnisse geben Einblicke in die grundlegenden Prozesse, die der Entstehung von Planetensystemen zugrunde liegen, von denen viele noch immer geheimnisvoll sind.

Für die Studie entwickelte das Team eine neue Art von Gerüst, das Quantenmechanik und Thermodynamik kombiniert, um die Bedingungen zu simulieren, denen das Korn während seiner Entstehung ausgesetzt war, als das Sonnensystem eine wirbelnde Scheibe aus Gas und Staub war, die als protoplanetare bekannt war Scheibe oder Sonnennebel. Der Vergleich der Vorhersagen des Modells mit einer äußerst detaillierten Analyse der chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur der Probe sowie eines Modells des Materietransports im Sonnennebel ergaben Hinweise auf die Reise des Korns und die Umweltbedingungen, die es auf seinem Weg prägten .

Das in der Studie analysierte Getreide ist einer von mehreren Einschlüssen, die als Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse oder CAIs bekannt sind und in einer Probe des Allende-Meteoriten entdeckt wurden, der 1969 über dem mexikanischen Bundesstaat Chihuahua fiel. CAIs sind von besonderem Interesse, weil sie gehören zu den ersten Festkörpern, die sich vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren im Sonnensystem gebildet haben.

Ähnlich wie Briefmarken in einem Reisepass eine Geschichte über die Reise eines Reisenden und die Zwischenstopps auf dem Weg erzählen, eröffnen die Strukturen der Proben im Mikro- und Atommaßstab eine Aufzeichnung ihrer Entstehungsgeschichte, die von der kollektiven Umgebung kontrolliert wurde, der sie ausgesetzt waren .

„Soweit wir wissen, ist unser Papier das erste, das eine Entstehungsgeschichte erzählt, die Hinweise auf die wahrscheinlichen Prozesse bietet, die auf der Skala astronomischer Entfernungen stattgefunden haben, mit dem, was wir in unserer Probe auf der Skala von Atomentfernungen sehen“, sagte Tom Zega , Professor am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona und Erstautor des im The Planetary Science Journal veröffentlichten Artikels.

Zega und sein Team analysierten die Zusammensetzung der in den Meteoriten eingebetteten Einschlüsse mit modernsten Rastertransmissionselektronenmikroskopen mit atomarer Auflösung – eines in der Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility von UArizona und seinem Schwestermikroskop in der Hitachi-Fabrik in Hitachinaka, Japan.

Es wurde festgestellt, dass die Einschlüsse hauptsächlich aus Mineralarten bestehen, die als Spinell und Perowskit bekannt sind, die auch in Gesteinen auf der Erde vorkommen und als Kandidatenmaterialien für Anwendungen wie Mikroelektronik und Photovoltaik untersucht werden.

Ähnliche Arten von Feststoffen kommen in anderen Arten von Meteoriten vor, die als kohlenstoffhaltige Chondrite bekannt sind und die für Planetenwissenschaftler besonders interessant sind, da sie als Überbleibsel aus der Entstehung des Sonnensystems bekannt sind und organische Moleküle enthalten, einschließlich solcher, die die Rohstoffe bereitgestellt haben könnten für das Leben.

Die genaue Analyse der räumlichen Anordnung der Atome ermöglichte es dem Team, den Aufbau der zugrunde liegenden Kristallstrukturen sehr detailliert zu untersuchen. Zur Überraschung des Teams standen einige der Ergebnisse im Widerspruch zu aktuellen Theorien über die physikalischen Prozesse, von denen angenommen wird, dass sie in protoplanetaren Scheiben aktiv sind, was sie dazu veranlasste, tiefer zu graben.

"Unsere Herausforderung besteht darin, dass wir nicht wissen, welche chemischen Wege zu den Ursprüngen dieser Einschlüsse geführt haben", sagte Zega. "Die Natur ist unser Laborbecher, und dieses Experiment fand Milliarden von Jahren vor unserer Existenz in einer völlig fremden Umgebung statt."

Zega sagte, das Team habe sich vorgenommen, die Zusammensetzung der außerirdischen Proben zu "reverse-engineeren", indem es neue Modelle entwarf, die komplexe chemische Prozesse simulierten, denen die Proben in einer protoplanetaren Scheibe unterzogen würden.

„Solche Modelle erfordern eine enge Konvergenz von Fachkenntnissen aus den Bereichen Planetenwissenschaft, Materialwissenschaft, Mineralwissenschaft und Mikroskopie, was wir uns vorgenommen haben“, fügte Krishna Muralidharan, Mitautorin der Studie und außerordentliche Professorin an der UArizona, hinzu Institut für Materialwissenschaften und -technik.

Basierend auf den Daten, die die Autoren ihren Proben entnehmen konnten, kamen sie zu dem Schluss, dass das Teilchen, das sich in einer Region der protoplanetaren Scheibe nicht weit von der heutigen Erde bildete, dann eine Reise näher zur Sonne machte, wo es immer heißer wurde. nur um später umzukehren und an kühleren Stellen weiter von der jungen Sonne wegzuspülen. Schließlich wurde es in einen Asteroiden eingebaut, der später in Stücke zerbrach. Einige dieser Stücke wurden von der Schwerkraft der Erde eingefangen und fielen als Meteoriten.

Die Proben für diese Studie wurden aus dem Inneren eines Meteoriten entnommen und gelten als primitiv – also unbeeinflusst von Umwelteinflüssen. Es wird angenommen, dass dieses primitive Material seit seiner Entstehung vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren keine wesentlichen Veränderungen erfahren hat, was selten ist. Ob ähnliche Objekte im Asteroiden Bennu vorkommen, von dem 2023 Proben von der von UArizona geleiteten OSIRIS-REx-Mission zur Erde zurückgebracht werden, bleibt abzuwarten. Bis dahin verlassen sich Wissenschaftler auf Proben, die über Meteoriten auf die Erde fallen.

„Dieses Material ist unsere einzige Aufzeichnung dessen, was vor 4,567 Milliarden Jahren im Sonnennebel geschah“, sagte Venkat Manga, Co-Autor des Papiers und Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering der UArizona. "Die Mikrostruktur unserer Probe auf verschiedenen Skalen bis hin zur Länge einzelner Atome betrachten zu können, ist wie ein Buch aufschlagen."

Die Autoren sagten, dass Studien wie diese Planetenwissenschaftler einem "großen Modell der Planetenentstehung" einen Schritt näher bringen könnten - einem detaillierten Verständnis des Materials, das sich um die Scheibe bewegt, woraus es besteht und wie es zur Sonne führt und die Planeten.

Leistungsstarke Radioteleskope wie das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array oder ALMA in Chile ermöglichen es Astronomen nun, Sternsysteme bei ihrer Entwicklung zu beobachten, sagte Zega.

"Vielleicht können wir irgendwann einen Blick in die sich entwickelnden Festplatten werfen, dann können wir unsere Daten zwischen den Disziplinen wirklich vergleichen und einige dieser wirklich großen Fragen beantworten", sagte Zega. "Bilden sich diese Staubpartikel in unserem eigenen Sonnensystem dort, wo wir sie vermuten? Sind sie allen Sternsystemen gemeinsam? Sollten wir das Muster erwarten, das wir in unserem Sonnensystem sehen - Gesteinsplaneten in der Nähe des Zentralsterns und Gasriesen weiter draußen - in allen Systemen?

"Es ist eine wirklich interessante Zeit, Wissenschaftler zu sein, wenn sich diese Gebiete so schnell entwickeln", fügte er hinzu. "Und es ist großartig, an einer Institution zu sein, an der Forscher transdisziplinäre Kollaborationen zwischen führenden Astronomie-, Planeten- und Materialwissenschaften derselben Universität eingehen können."

Die Studie wurde gemeinsam von Fred Ciesla von der University of Chicago und Keitaro Watanabe und Hiromi Inada, beide mit der Nano-Technology Solution Business Group bei Hitachi High-Technologies Corp. in Japan, verfasst.

Die Finanzierung erfolgte über das Emerging Worlds Program der NASA Das Origins Program der NASA und das Forschungskoordinationsnetzwerk Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) der NASA, das vom Science Mission Directorate der NASA gesponsert wird. Die NASA und die National Science Foundation stellten die Mittel für die Instrumentierung in der Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility des LPL bereit.


‘Pillars of Creation’, eine sternbildende Gas- und Staubregion im Adlernebel

Die berühmten „Säulen der Schöpfung“ sind sogenannte Elefantenrüssel – massive Säulen aus dichtem Gas und Staub, die auch Brutstätten für neue Sterne sind – im Adlernebel (Messier 16), etwa 7.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schlangen . Sie werden so genannt, weil das Gas und der Staub dabei sind, neue Sterne zu bilden oder zu erschaffen.

Die Säule ganz links ist von der Basis bis zur Spitze etwa vier Lichtjahre lang. Die fingerartigen Vorsprünge an der Spitze der Wolken sind größer als unser Sonnensystem.

Diese dichten Säulen ragen aus der Innenwand einer dunklen Molekülwolke wie Stalagmiten aus dem Boden einer Höhle. Die Säulen, die länger als ihre Umgebung überlebt haben, bestehen aus kühlem molekularem Wasserstoff und Staub, der durch das ultraviolette Licht heißer, massereicher neugeborener Sterne erodiert wird. Dieser Prozess wird “Photoevaporation” genannt. Das ultraviolette Licht ist auch dafür verantwortlich, die gewundenen Oberflächen der Säulen und die von ihren Oberflächen wegsiedenden Gasströme zu beleuchten.

Während die Säulen langsam erodiert werden, werden kleine Kügelchen aus noch dichterem Gas freigelegt, die in den Säulen vergraben sind. Diese Kügelchen wurden “EGGs genannt.” EGGs ist ein Akronym für “Evaporating Gaseous Globules,”, aber es ist auch ein Wort, das diese Objekte beschreibt. Forming inside at least some of the EGGs are embryonic stars — stars that abruptly stop growing when the EGGs are uncovered and they are separated from the larger reservoir of gas from which they were drawing mass. Eventually, the stars themselves emerge from the EGGs as the EGGs themselves succumb to photoevaporation.

Spitzer Space Telescope took images of the pillars next to a giant cloud of glowing dust scorched by the heat of a supernova. One group of astronomers think the supernova’s shock wave destroyed the pillars about 6,000 years ago. But because the Eagle Nebula is located some 7,000 light years away, this destruction is not yet visible on Earth, but should be visible in the next 1000 years. So, what astronomers see now is evidence of the supernova just before its destructive shock wave reached the pillars.

However, this interpretation of the hot dust has been disputed by an astronomer uninvolved in the Spitzer observations, who argues that a supernova should have resulted in stronger radio and x-ray radiation than has been observed, and that winds from massive stars could instead have heated the dust. If this is the case, the Pillars of Creation will undergo a more gradual erosion.

This image was taken by the Hubble Telescope on April 1, 1995. It is composed of 32 different images from four separate cameras in the Wide Field and Planetary Camera 2 on board Hubble.
The photograph was made with light emitted by different elements in the cloud and appears as a different colour in the composite image: green for hydrogen, red for singly ionized sulfur and blue for double-ionized oxygen atoms.

Image Credit: NASA, ESA, STScI, Jeff Hester and Paul Scowen, at the time both of Arizona State University.


Astronomie-Bild des Tages

Entdecke den Kosmos! Jeden Tag wird ein anderes Bild oder Foto unseres faszinierenden Universums zusammen mit einer kurzen Erklärung eines professionellen Astronomen gezeigt.

2021 May 2
Clouds of the Carina Nebula
Bildnachweis & Copyright: John Ebersole

Erläuterung: What forms lurk in the mists of the Carina Nebula? The dark ominous figures are actually molecular clouds, knots of molecular gas and dust so thick they have become opaque. In comparison, however, these clouds are typically much less dense than Earth's atmosphere. Featured here is a detailed image of the core of the Carina Nebula, a part where both dark and colorful clouds of gas and dust are particularly prominent. The image was captured in mid-2016 from Siding Spring Observatory in Australia. Although the nebula is predominantly composed of hydrogen gas -- here colored green, the image was assigned colors so that light emitted by trace amounts of sulfur and oxygen appear red and blue, respectively. The entire Carina Nebula, cataloged as NGC 3372, spans over 300 light years and lies about 7,500 light-years away in the constellation of Carina. Eta Carinae, the most energetic star in the nebula, was one of the brightest stars in the sky in the 1830s, but then faded dramatically.


How Do Clouds Form?

You hang up a wet towel and, when you come back, it’s dry. You set out a bowl of water for your dog and when you look again, the water level in the bowl has dropped even though Woofy has been nowhere near the bowl.

Where did the missing water go? It evaporated. That means some of the liquid water in the towel or bowl changed into an invisible gas called water vapor and drifted away into the atmosphere. (Notice that “evaporated” contains the word “vapor.”)

The same thing is constantly happening with oceans, lakes, rivers, swamps, swimming pools – and everywhere water is in contact with air.

Liquid water changes into a gas when water molecules get extra energy from a heat source such as the Sun or from other water molecules running into them. These energetic molecules then escape from the liquid water in the form of gas. In the process of changing from liquid to gas, the molecules absorb heat, which they carry with them into the atmosphere. That cools the water they leave behind.

Heat causes some of the liquid water – from places like oceans, rivers and swimming pools – to change into an invisible gas called water vapor. This process is called evaporation and it's the start of how clouds are formed. Image credit: NASA/JPL-Caltech/Alex Novati

The air can only hold a certain amount of water vapor, depending on the temperature and weight of the air – or atmospheric pressure – in a given area. The higher the temperature or atmospheric pressure, the more water vapor the air can hold. When a certain volume of air is holding all the water vapor it can hold, it is said to be “saturated.”

What happens if a saturated volume of air cools or the atmospheric pressure drops? The air is no longer able to hold all that water vapor. The excess amount changes from a gas into a liquid or solid (ice). The process of water changing from a gas to a liquid is called "condensation," and when gas changes directly into a solid, it is called "deposition." These two processes are how clouds form.

Condensation happens with the help of tiny particles floating around in the air, such as dust, salt crystals from sea spray, bacteria or even ash from volcanoes. Those particles provide surfaces on which water vapor can change into liquid droplets or ice crystals.

A large accumulation of such droplets or ice crystals is a cloud.

Dust and other particles floating in the air provide surfaces for water vapor to turn into water drops or ice crystals. The tiny drops of water condense on the particles to form cloud droplets. Clouds are made up of a bunch of cloud droplets bundled together with raindrops. Image credit: NASA/JPL-Caltech/Alex Novati

We usually think of clouds as being up in the sky, but when conditions are right, a cloud can form at ground level, too. Then it’s called “fog.” If you’ve ever walked through fog, you’ve walked through a cloud.

Fog can be seen at the top of this image of the 525-foot tall Vehicle Assembly Building at NASA’s Kennedy Space Center in Florida. Image credit: NASA/Ben Smegelsky

Although the basic idea of cloud formation is easy to understand, there is much more to learn. Peek beneath a cloud’s fluffy exterior, and you’ll find a world of complexity. In fact, clouds are considered one of the most challenging aspects of climate science.

That’s because truly understanding clouds requires a deep understanding of the entire atmosphere. Scientists are working to increase their understanding, with the help of instruments such as those on NASA’s Terra, Aqua, Aura, CALIPSO, CloudSat and other satellites that observe different aspects of clouds.

NASA has a fleet of spacecraft that orbit Earth, called satellites. Many of them study clouds, weather, climate and more. Image credit: NASA/JPL-Caltech/Alex Novati

The better we can understand clouds and the atmosphere that creates them, the better we can find out what’s happening to our climate.


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