3.07.2018

This spectacular image from the SPHERE instrument on ESO's Very Large Telescope is the first clear image of a planet caught in the very act of formation around the dwarf star PDS 70. The planet stands clearly out, visible as a bright point to the right of the centre of the image, which is blacked out by the coronagraph mask used to block the blinding light of the central star.

Credit:ESO/A. Müller et al.

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SPHERE, a planet-hunting instrument on ESO’s Very Large Telescope, has captured the first confirmed image of a planet caught in the act of forming in the dusty disc surrounding a young star. The young planet is carving a path through the primordial disc of gas and dust around the very young star PDS 70. The data suggest that the planet’s atmosphere is cloudy.

Astronomers led by a group at the Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg, Germany have captured a spectacular snapshot of planetary formation around the young dwarf star PDS 70. By using the SPHERE instrument on ESO’s Very Large Telescope (VLT) — one of the most powerful planet-hunting instruments in existence — the international team has made the first robust detection of a young planet, named PDS 70b, cleaving a path through the planet-forming material surrounding the young star [1].

The SPHERE instrument also enabled the team to measure the brightness of the planet at different wavelengths, which allowed properties of its atmosphere to be deduced.

The planet stands out very clearly in the new observations, visible as a bright point to the right of the blackened centre of the image. It is located roughly three billion kilometres from the central star, roughly equivalent to the distance between Uranus and the Sun. The analysis shows that PDS 70b is a giant gas planet with a mass a few times that of Jupiter. The planet's surface has a temperature of around 1000°C, making it much hotter than any planet in our own Solar System.

The dark region at the centre of the image is due to a coronagraph, a mask which blocks the blinding light of the central star and allows astronomers to detect its much fainter disc and planetary companion. Without this mask, the faint light from the planet would be utterly overwhelmed by the intense brightness of PDS 70.

“These discs around young stars are the birthplaces of planets, but so far only a handful of observations have detected hints of baby planets in them,” explains Miriam Keppler, who lead the team behind the discovery of PDS 70’s still-forming planet. “The problem is that until now, most of these planet candidates could just have been features in the disc.”

The discovery of PDS 70’s young companion is an exciting scientific result that has already merited further investigation. A second team, involving many of the same astronomers as the discovery team, including Keppler, has in the past months followed up the initial observations to investigate PDS 70’s fledgling planetary companion in more detail. They not only made the spectacularly clear image of the planet shown here, but were even able to obtain a spectrum of the planet. Analysis of this spectrum indicated that its atmosphere is cloudy.

PDS 70’s planetary companion has sculpted a transition disc — a protoplanetary disc with a giant “hole” in the centre. These inner gaps have been known about for decades and it has been speculated that they were produced by disc-planet interaction. Now we can see the planet for the first time.

“Keppler’s results give us a new window onto the complex and poorly-understood early stages of planetary evolution,” comments André Müller, leader of the second team to investigate the young planet. “We needed to observe a planet in a young star’s disc to really understand the processes behind planet formation.” By determining the planet’s atmospheric and physical properties, the astronomers are able to test theoretical models of planet formation.

This glimpse of the dust-shrouded birth of a planet was only possible thanks to the impressive technological capabilities of ESO’s SPHERE instrument, which studies exoplanets and discs around nearby stars using a technique known as high-contrast imaging — a challenging feat. Even when blocking the light from a star with a coronagraph, SPHERE still has to use cleverly devised observing strategies and data processing techniques to filter out the signal of the faint planetary companions around bright young stars [2] at multiple wavelengths and epochs.

Thomas Henning, director at the Max Planck Institute for Astronomy and leader of the teams, summarises the scientific adventure: “After more than a decade of enormous efforts to build this high-tech machine, now SPHERE enables us to reap the harvest with the discovery of baby planets!”

Notes

[1] The disc and planet images and the planet’s spectrum have been captured in the course of the two survey programmes called SHINE (SpHere INfrared survey for Exoplanets) and DISK (sphere survey for circumstellar DISK). SHINE aims to image 600 young nearby stars in the near-infrared using SPHERE’s high contrast and high angular resolution to discover and characterise new exoplanets and planetary systems. DISK explores known, young planetary systems and their circumstellar discs to study the initial conditions of planetary formation and the evolution of planetary architectures.

[2] In order to tease out the weak signal of the planet next to the bright star, astronomers use a sophisticated method that benefits from the Earth's rotation. In this observing mode, SPHERE continuously takes images of the star over a period of several hours, while keeping the instrument as stable as possible. As a consequence, the planet appears to slowly rotate, changing its location on the image with respect to the stellar halo. Using elaborate numerical algorithms, the individual images are then combined in such a way that all parts of the image that appear not to move during the observation, such as the signal from the star itself, are filtered. This leaves only those that do apparently move — making the planet visible.

Widefield image of the sky around PDS 70

This colourful image shows the sky around the faint orange dwarf star PDS 70 (in the middle of the image). The bright blue star to the right is χ Centauri.

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

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Erstes bestätigtes Bild eines neugeborenen Planeten vom VLT der ESO

Spektrum macht Wolken-Atmosphäre sichtbar

SPHERE, ein Instrument zur Planetensuche am Very Large Telescope der ESO, hat das erste bestätigte Bild eines Planeten aufgenommen, der sich in der Staubscheibe um einen jungen Stern gebildet hat. Der junge Planet pflügt sich seinen Weg durch die primordiale Scheibe aus Gas und Staub um den sehr jungen Stern PDS 70. Die Daten deuten darauf hin, dass die Atmosphäre des Planeten Wolken enthält.

Astronomen unter Leitung einer Gruppe vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg haben eine spektakuläre Momentaufnahme der Planetenbildung um den jungen Zwergstern PDS 70 aufgenommen. Mit dem SPHERE-Instrumentam Very Large Telescope (VLT) der ESO – einem der leistungsfähigsten Instrumente zur Planetensuche überhaupt – hat das internationale Team die erste hieb- und stichfeste Detektion eines jungen Planeten namens PDS 70b machen können, der sich seinen Weg durch das den jungen Stern umgebende planetenbildende Material gräbt [1].

Das SPHERE-Instrument ermöglichte es dem Team auch, die Helligkeit des Planeten bei verschiedenen Wellenlängen zu messen, wodurch Eigenschaften seiner Atmosphäre abgeleitet werden konnten.

Der Planet hebt sich in den neuen Beobachtungen sehr deutlich ab, sichtbar als heller Punkt rechts vom geschwärzten Bildmittelpunkt. Er befindet sich etwa drei Milliarden Kilometer von seinem Zentralstern entfernt, was in etwa der Entfernung zwischen Uranus und der Sonne entspricht. Die Analyse zeigt, dass PDS 70b ein großer Gasplanet mit einer Masse ist, die mehrere Male größer ist als die des Jupiters. Die Oberfläche des Planeten hat eine Temperatur von etwa 1000°C und ist damit viel heißer als jeder andere Planet in unserem Sonnensystem.

Der dunkle Bereich in der Bildmitte ist auf einen Koronografen zurückzuführen, eine Maske, die das blendend helle Licht des Zentralsterns blockiert und es den Astronomen erlaubt, seine viel schwächere Scheibe und seinen planetaren Begleiter zu erkennen. Ohne diese Maske wäre das schwache Licht des Planeten vom intensiven Leuchten von PDS 70 völlig überstrahlt.

"Diese Scheiben um junge Sterne müssen die Geburtsorte von Planeten sein, aber bisher haben nur wenige Beobachtungen Hinweise auf junge Planeten in ihnen gezeigt", erklärt Miriam Keppler, die das Team bei der Entdeckung des noch entstehenden Planeten um PDS 70 geleitet hat. "Das Problem ist, dass die meisten dieser Planetenkandidaten bisher auch einfach nur Strukturen in der Scheibe sein könnten."

Die Entdeckung des jungen Begleiters von PDS 70 ist ein spannendes wissenschaftliches Ergebnis, das bereits weitere Untersuchungen nach sich gezogen hat. Ein zweites Team, bei dem auch viele der Astronomen aus dem Entdeckerteam beteiligt waren, darunter auch Keppler, hat in den vergangenen Monaten Nachfolgebeobachtungen angestellt, um den planetaren Begleiter von PDS 70 genauer zu untersuchen. Sie machten nicht nur die eindrucksvoll scharfe, hier gezeigte Aufnahme des Planeten, sondern konnten zusätzlich auch ein Spektrum des Planeten gewinnen. Die Analyse dieses Spektrums ergab, dass seine Atmosphäre von Wolken durchzogen ist.

Der planetare Begleiter von PDS 70 hat um den Stern eine sogenannte Übergangsscheibe geformt – eine protoplanetare Scheibe mit einem riesigen "Loch" in der Mitte. Diese inneren Lücken sind bereits seit Jahrzehnten bekannt und man hatte schon zuvor spekuliert, dass sie durchdie Wechselwirkung der Scheibe mit einem Planeten entstanden sind. Jetzt können wir den Planeten zum ersten Mal sehen.

"Miriams Ergebnisse haben uns ein neues Fenster zu den komplexen und schlecht verstandenen Anfangsstadien der planetaren Evolution geöffnet", kommentiert André Müller, Leiter des zweiten Teams zur Erforschung des jungen Planeten. "Wir müssen einen Planeten in der Scheibe eines jungen Sterns beobachten, um die Prozesse hinter der Planetenbildung wirklich zu verstehen." Durch die Bestimmung der atmosphärischen und physikalischen Eigenschaften des Planeten können die Astronomen theoretische Modelle der Planetenbildung testen.

Der Blick auf die staubbedeckte Geburt eines Planeten war nur Dank der beeindruckenden technologischen Möglichkeiten des ESO-Instruments SPHERE möglich, das Exoplaneten und Scheiben in der Nähe von Sternen mit einer Technik untersucht, die als Hochkontrast-Abbildung bezeichnet wird – eine große Herausforderung. Selbst wenn man das Licht eines Sterns mit einem Koronografen blockiert, muss SPHERE mit ausgeklügelten Beobachtungsstrategien und Datenverarbeitungstechniken das Signal der schwachen planetaren Begleiter um helle junge Sterne [2] bei mehreren Wellenlängen und Epochen herausfiltern.

Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie und Leiter der Teams, fasst das wissenschaftliche Abenteuer zusammen: "Nach mehr als einem Jahrzehnt enormer Anstrengungen, diese High-Tech-Maschine zu bauen, ermöglicht uns SPHERE nun, Planeten direkt bei ihrer Entstehung zu finden und zu studieren!"

Endnoten

[1] Die Scheiben- und Planetenbilder sowie das Planetenspektrum wurden im Rahmen der beiden Vermessungsprogramme SHINE (SpHere INfrared survey for Exoplanets) und DISK (sphere survey for circumstellar DISK) aufgenommen. Ziel von SHINE ist es, 600 junge, nahe gelegene Sterne im nahen Infrarot mit dem hohen Kontrast und der hohen Winkelauflösung von SPHERE abzubilden, um neue Exoplaneten bzw. ganze Planetensysteme zu entdecken und zu charakterisieren. DISK erforscht bekannte, junge Planetensysteme und ihre zirkumstellaren Scheiben, um die Ausgangsbedingungen der Planetenbildung und die Entwicklung planetarer Strukturen zu untersuchen.

[2] Um das schwache Signal des Planeten neben dem hellen Stern sichtbar zu machen, verwenden Astronomen eine ausgeklügelte Methode, die von der Rotation der Erde profitiert. In diesem Beobachtungsmodus nimmt SPHERE über einen Zeitraum von mehreren Stunden kontinuierlich Bilder des Sterns auf, wobei das Instrument so stabil wie möglich gehalten wird. Infolgedessen scheint sich der Planet langsam zu drehen und seine Position auf dem Bild in Bezug auf das Beugungsscheibchen des Sterns zu ändern. Mit aufwendigen numerischen Algorithmen werden die einzelnen Bilder dann so kombiniert, dass alle Teile des Bildes, die sich während der Beobachtung nicht zu bewegen scheinen, wie das Signal vom Stern selbst, gefiltert werden. So bleiben nur diejenigen übrig, die sich scheinbar bewegen – und den Planeten sichtbar machen.

Quelle: ESO