28.04.2021

Rätselhafter Riesenplanet

Direkt nachgewiesener weiter Gasriese passt nicht in gängige Modelle zur Planetenentstehung.

Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung von Markus Mugrauer vom astro­physikalischen Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist die direkte Abbildung eines jungen Exoplaneten gelungen. Der Planet umkreist den rund 360 Lichtjahre entfernten sonnen­ähnlichen Stern YSES 2, der sich am Südsternhimmel im Sternbild Musca (Fliege) befindet. Die Entdeckung des Exoplaneten gelang dem Team mit dem Instrument Sphere am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile.

 

Abb.: Der junge, sonnenähnliche Stern YSES 2. Der Stern befindet sich in der...
Abb.: Der junge, sonnenähnliche Stern YSES 2. Der Stern befindet sich in der Bildmitte hinter einer Korona­graphen­maske (graue Kreisfläche). Der neu entdeckte Exoplanet YSES 2b ist südlich von seinem Mutterstern zu erkennen. (Bild: M. Mugrauer / FSU)

Seit der Entdeckung der ersten Exoplaneten vor gut dreißig Jahren wächst die Zahl der neu entdeckten Planeten bei fernen Sternen stetig. Mittlerweile sind mehr als 4000 Exemplare bekannt. Die allermeisten von ihnen sind jedoch nur durch indirekte Beobachtungs­methoden nachgewiesen worden. Die direkte Beobachtung von Exoplaneten neben ihren Zentral­gestirnen gelang bisher dagegen deutlich seltener. „Nur der Einsatz einer modernen adaptiven Optik an einem Großteleskop der Acht-Meter-Klasse sowie spezieller Hoch­kontrast­beobachtungs­verfahren erlaubt die direkte Abbildung solcher substellarer Objekte in unmittelbarer Nähe zu ihren viel helleren Muttersternen“, erklärt Markus Mugrauer. „Und genau das ist mit Sphere am Very Large Telescope der ESO in Chile möglich. Dieses Instrument wurde speziell für die direkte Abbildung und Charakterisierung von Exoplaneten entwickelt“, so Mugrauer.

Der neu entdeckte Exoplanet YSES 2b ist rund 10.000 Mal leuchtschwächer als sein Zentralgestirn. Ermöglicht hat die Entdeckung das noch junge Alter des Planeten. „Während der ersten wenigen Millionen Jahre ihrer Existenz strahlen Planeten im Wesentlichen die bei ihrer Entstehung freigesetzte Gravitations­energie ab“, sagt Markus Mugrauer. Diese Strahlung liegt gemäß der Temperatur der Planeten in dieser frühen Entwicklungsphase im nahinfraroten Spektral­bereich. Im vorliegenden Fall erfolgten die Beobachtungen bei zirka 1,6 und 2,2 Mikrometern.

Fragen wirft YSES 2b noch hinsichtlich seines Entstehungs­prozesses auf. In der Astrophysik werden heute zwei unterschiedliche Theorien der Planeten­entstehung in großen Gas- und Staubscheiben um junge Sterne diskutiert: Da gibt es zum einen das Kernwachstums­szenario, bei dem sich zunächst aus Staub- und Eispartikeln durch Verklumpungs- und Akkretions­prozesse kilometergroße Planetesimale bilden, die dann durch nachfolgende Kollisionen zu immer massereicheren Körpern heranwachsen, die schließlich das sie umliegende Gas anziehen können, wodurch Gasplaneten entstehen. Und zum anderen besteht die Möglichkeit, dass eine gravitative Instabilität der Gas- und Staubscheibe um einen jungen Stern selbst zur Planeten­entstehung führen kann. In den Scheiben bilden sich dabei zunächst Verdichtungen von Gas- und Staubmassen, die durch ihre Eigen­gravitation dann weiter zu Planeten kontrahieren.

Die Existenz von YSES 2b kann aber keine der beiden Theorien eindeutig erklären. Der Planet ist einerseits zu massearm, als dass er in seinem Abstand von mehr als 100 Astronomischen Einheiten zum Mutterstern durch gravitative Scheiben­instabilität entstanden sein könnte. Und auf der anderen Seite ist er zu weit von seinem Mutterstern entfernt, als dass seine Entstehung durch das Kern­wachstums­szenario erklärt werden könnte.

Folgebeobachtungen sind also nötig, um zu erforschen, wie der Entstehungs­prozess des neu entdeckten Exoplaneten genau abgelaufen ist. Dafür sollen einerseits die Zusammensetzung seiner Atmosphäre durch spektroskopische Messungen analysiert und andererseits seine Umlaufbahn um den Mutterstern detailliert charakterisiert werden. Außerdem, so das Fazit der Autoren, bleibt zu prüfen, ob der Stern noch weitere Planeten besitzt, die ihn in geringerem Abstand umkreisen. Dazu seien bereits neue Beobachtungen mit Sphere am Very Large Telescope der ESO geplant. „Auch wenn zurzeit noch unklar ist, wie genau YSES 2b entstanden sein könnte, so sind wir doch zuversichtlich, dass neue Beobachtungen helfen werden, dieses Rätsel zu lösen“, resümiert Studienleiter Alexander Bohn, Doktorand an der Universität Leiden (Niederlande). „Dadurch erhoffen wir uns neue Erkenntnisse über die Entstehung von Gasriesen, die auch für unser Sonnensystem relevant sein könnten.“

YSES steht für „Young Suns Exoplanet Survey“ und ist der Titel eines Beobachtungsprojektes am Paranal Observatorium der Europäischen Südsternwarte in Chile. In YSES wird bei jungen, sonnen­ähnlichen Sternen in der Scorpius-Centaurus Assoziation nach Planeten gesucht und deren Eigenschaften charakterisiert. YSES 2, der Mutterstern des neuen Planeten, ist knapp 14 Millionen Jahre „jung“ und Mitglied der unteren Centaurus-Crux-Stern­assoziation. Der neu entdeckte Planet YSES 2b ist etwa 115 Mal so weit von seinem Mutterstern entfernt, wie die Erde von der Sonne. Seine Oberflächen­temperatur liegt zwischen 900 und 1.100 Grad Celsius und er besitzt die etwa fünf- bis acht-fache Masse des Planeten Jupiter in unserem Sonnensystem. Damit zählt YSES 2b zur Klasse der „weiten Gasriesen“, von denen bis heute nur wenige bei jungen Sternen nachgewiesen werden konnten. YSES 2b ist zudem einer der masseärmsten direkt abgebildeten Exoplaneten, die bisher gefunden wurden. Insbesondere besitzt der Exoplanet nur 0,5 Prozent der Masse seines Muttersterns und damit das bisher niedrigste Massen­verhältnis eines direkt abgebildeten Exoplaneten im Orbit um einen sonnen­ähnlichen Stern.

FSU / DE

 

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