20.07.2021

Erste Isotopenanalyse bei Exoplaneten geglückt

Spektroskopie an Kohlenmonoxid zeigt überraschend hohen Anteil an schwerem Kohlenstoff-Isotop.

Ein internationales Team von Astronomen, darunter Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie, hat als erstes weltweit Isotope in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen. Es handelt sich dabei um Isotope des Kohlenstoffs in TYC 8998-760-1 b, einem Gasriesen in 300 Licht­jahren Entfernung. Das Signal wurde mit dem VLT der ESO in Chile gemessen und scheint darauf hinzuweisen, dass der Planet relativ reich an Kohlenstoff-13 ist. Die Astronomen vermuten, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass sich der Planet in großer Entfernung von seinem Mutter­stern gebildet hat.

 

Abb.: Illustration der Geburtsumgebung von Planeten in einer proto-planetaren...
Abb.: Illustration der Geburtsumgebung von Planeten in einer proto-planetaren Scheibe, die sich um einen jungen Stern gebildet hat. (Bild: Y. Zhang, Leiden Observatory / MPIA)

Kohlenstoff hat mit sechs Protonen typischerweise auch sechs Neutronen (Kohlenstoff-12), aber gelegentlich auch sieben (Kohlenstoff-13) oder acht (Kohlenstoff-14). Diese Eigenschaft ändert nur wenig an den chemischen Eigenschaften des Kohlenstoffs. Dennoch bilden sich Isotope auf unterschiedliche Weise und reagieren oft etwas anders auf die vorherrschenden Bedingungen. Isotope erlauben daher den Einsatz in einer Vielzahl von Forschungs­gebieten: von der Erkennung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Krebs über die Untersuchung des Klimawandels bis hin zur Alters­bestimmung von Fossilien und Gesteinen.

Astronomen aus mehreren Ländern, darunter Paul Mollière vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, entdeckten ein ungewöhnliches Verhältnis zwischen diesen Isotopen in der Atmosphäre des jungen Riesenplaneten TYC 8998-760-1 b. Der Kohlenstoff liegt vor allem in Form von CO- (Kohlen­monoxid-)Gas vor. Der Planet selbst weist eine Masse von etwa 14 Jupitermassen auf und ist fast doppelt so groß wie Jupiter. Daher bezeichnet man ihn als Super-Jupiter.

Die Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Erstautorin Yapeng Zhang, einer Doktorandin am Observatorium Leiden in den Niederlanden, konnte Kohlenstoff-13 von Kohlenstoff-12 erfolgreich unterscheiden, weil es Strahlung in leicht unter­schiedlichen Farben absorbiert. „Diese Messung in einer Exoplaneten­atmosphäre ist wirklich etwas ganz Besonderes, und das in einer so großen Entfernung“, sagt Zhang. Die Astronomen hatten erwartet, dass etwa eines von siebzig Kohlenstoff-Atomen Kohlenstoff-13 ist, aber bei diesem Planeten scheint es doppelt so viel zu sein. Die Idee ist, dass der höhere Anteil von Kohlenstoff-13 mit der Entstehung des Exoplaneten zusammenhängt.

Mollière erklärt: „Der Planet ist mehr als einhundertfünfzig Mal weiter von seinem Mutterstern entfernt als unsere Erde von unserer Sonne. Bei einer so großen Entfernung haben sich möglicherweise Eise mit mehr Kohlenstoff-13 gebildet, was den höheren Anteil dieses Isotops in der heutigen Atmosphäre des Planeten verursacht.“ Vermutlich hängt die Anreicherung von Kohlenstoff-13 mit dem Ausfrieren von CO in den planeten­bildenden protoplanetaren Scheiben zusammen.

In diesem Fall könnte dies bedeuten, dass die Planeten im Sonnensystem nicht viel Kohlenstoff-13-reiches Eis angesammelt haben. Ein Grund dafür könnte sein, dass im Sonnen­system die Entfernung, jenseits derer CO aus der Gasphase heraus­zufrieren beginnt, bekannt als die CO-Schneelinie, außerhalb der Umlaufbahn des Neptun liegt. Daher ist es wahrscheinlich, dass CO-Eis nur selten in die Planeten des Sonnensystems eingebaut wurde, was zu einem höheren Isotopenverhältnis führt. Mollière schrieb die Software zur Datenanalyse und trug zur Interpretation der Ergebnisse bei.

Der Exoplanet selbst, TYC 8998-760-1 b, wurde erst vor zwei Jahren von dem Leidener Doktoranden Alexander Bohn, Mitautor des Artikels, entdeckt. Er fügt hinzu: „Es ist großartig, dass diese Entdeckung in der Nähe ‚meines‘ Planeten gemacht wurde. Es wird wahrscheinlich die erste von vielen sein.“

Ignas Snellen, Professor in Leiden und seit vielen Jahren die treibende Kraft hinter diesem Thema, ist besonders stolz. „Die Erwartung ist, dass die Isotope in Zukunft weiter helfen werden, genau zu verstehen, wie, wo und wann Planeten entstehen. Dieses Ergebnis ist erst der Anfang.“

MPIA / DE

 

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