Eine Illustration des Exoplaneten PDS 70b, eingewickelt in seinen vorgeburtlichen Kokon aus Gas und Staub.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Astronomen haben herausgefunden, dass sich Planeten von den wirbelnden Hüllen aus Gas und Staub, aus denen sie geboren werden, unterscheiden können. Diese Entdeckung scheint darauf hinzuweisen, dass das von Wissenschaftlern favorisierte Modell der Planetenentstehung möglicherweise zu einfach ist.
Ein Team unter der Leitung von Forschern der Northwestern University in Illinois machte diese Entdeckung bei der Beobachtung eines sich noch bildenden Planeten und der Scheibe aus Geburtsmaterial, in der er sich befindet.
Der Exoplanet, der im Mittelpunkt dieser Forschung steht, ist PDS 70b, ein Gasriese mit etwa der dreifachen Masse und Breite des Jupiters, der 369 Lichtjahre von uns entfernt ist. PDS 70b umkreist seinen Stern in einer Entfernung, die etwa 20 Mal so groß ist wie die Entfernung zwischen der Erde und der Sonne, und benötigt 119,2 Erdenjahre für eine Umkreisung.
Genauso wie wir von Kindern erwarten, dass sie wie ihre Eltern aussehen, haben Wissenschaftler auch erwartet, dass Planeten Ähnlichkeiten mit den Materiescheiben um junge Sterne, den so genannten protoplanetaren Scheiben, aufweisen, aus denen sie entstehen und in denen sie sich dann entwickeln.
„Für beobachtende Astrophysiker war ein weithin akzeptiertes Bild der Planetenentstehung wahrscheinlich zu vereinfacht“, sagte Teamleiter Chih-Chun „Dino“ Hsu von der Northwestern University in einer Erklärung. „Nach diesem vereinfachten Bild sollte das Verhältnis von Kohlenstoff- und Sauerstoffgasen in der Atmosphäre eines Planeten mit dem Verhältnis von Kohlenstoff- und Sauerstoffgasen in seiner ursprünglichen Scheibe übereinstimmen – unter der Annahme, dass der Planet Materialien durch Gase in seiner Scheibe akkumuliert. Stattdessen fanden wir einen Planeten mit einem Kohlenstoff- und Sauerstoffverhältnis, das im Vergleich zu seiner Scheibe viel niedriger ist.
„Jetzt können wir den Verdacht bestätigen, dass das Bild der Planetenentstehung zu vereinfacht war.“
Planetenkinder gehen ihren eigenen Weg
Planeten entstehen, wenn das Material, das junge Sterne umgibt, eine protoplanetare Scheibe bildet. Im Laufe von Millionen von Jahren verklumpen kalte Gas- und Staubteilchen in dieser Scheibe unter ihrer eigenen Schwerkraft und bilden die Keime für Planeten.
Die Erforschung dieser Phase der Planetenentwicklung wurde dadurch erschwert, dass es bis vor kurzem unmöglich war, einen Exoplaneten direkt in seiner Geburtshülle zu sehen. Im Allgemeinen sind die Planeten zu dem Zeitpunkt, an dem sie sichtbar werden, bereits gealtert und ihre Hüllen haben sich aufgelöst.
Das System um den Kinderstern PDS 70 ist jedoch anders. Dort lassen sich zwei Planeten, die auf ein Alter von etwa 5 Millionen Jahren geschätzt werden, PDS 70b und PDS 70c, in ihren Hüllen unterscheiden.
„Dies ist ein System, in dem wir sehen, dass beide Planeten noch im Entstehen begriffen sind, ebenso wie die Materialien, aus denen sie sich gebildet haben“, sagt Jason Wang, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Northwestern University, Mitglied des Studienteams. „Frühere Studien haben diese Gasscheibe analysiert, um ihre Zusammensetzung zu verstehen.
„Zum ersten Mal waren wir in der Lage, die Zusammensetzung des sich noch bildenden Planeten selbst zu messen und zu sehen, wie ähnlich die Materialien im Planeten im Vergleich zu den Materialien in der Scheibe sind.“
Beobachtungen des Exoplaneten PDS 70b mit ALMA, die zeigen, dass er von einer Staubwolke verfolgt wird, was auf einen „trojanischen Planeten“ namens PDS 70c hindeutet (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) /Balsalobre-Ruza et al.)
Um die chemische Zusammensetzung der Scheibe und von PDS 70b zu bestimmen, untersuchte das Team das Licht, das von dem jungen Sternsystem ausgeht. Diese Untersuchung ist möglich, weil chemische Elemente Licht bei charakteristischen Wellenlängen absorbieren und emittieren. Das bedeutet, dass Chemikalien in Atmosphären ihre „Fingerabdrücke“ auf dem Sternenlicht hinterlassen, das durch sie hindurchgeht.
Das Studienteam entwickelte eine neue Technologie, mit der die schwachen Merkmale sichtbar gemacht werden konnten, die sonst nicht zu erkennen gewesen wären.
„Diese neuen Werkzeuge ermöglichen es, wirklich detaillierte Spektren von schwachen Objekten neben wirklich hellen Objekten aufzunehmen“, sagte Wang. „Die Herausforderung besteht darin, dass ein wirklich schwacher Planet neben einem wirklich hellen Stern steht. Es ist schwierig, das Licht des Planeten zu isolieren, um seine Atmosphäre zu analysieren.“
Aus diesen Daten konnte das Team Informationen über Wasser und Kohlenmonoxid in der Umgebung von PDS 70b gewinnen. Anhand dieser Informationen konnte das Team das Verhältnis von Kohlenstoff und Sauerstoff in der Atmosphäre des Planeten bestimmen. Das Team verglich dies dann mit dem Verhältnis der gleichen Gase in der Scheibe, aus der der Planet entstand.
„Ursprünglich hatten wir erwartet, dass das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis im Planeten ähnlich wie in der Scheibe sein würde“, sagte Hsu. „Aber stattdessen fanden wir heraus, dass das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis im Planeten viel niedriger war als das in der Scheibe. Das war etwas überraschend und zeigt, dass unser weithin akzeptiertes Bild der Planetenentstehung zu vereinfacht war.“
Die protoplanetare Scheibe um den Stern PDS 70, die Heimat der kleinen Exoplaneten PDS 70b und PDS 70c. (Bildnachweis: ESO/A. Müller et al.)
Das Team weiß nicht genau, was dazu geführt hat, dass PDS 70b von seiner pränatalen Wolke abgewichen ist, aber es gibt zwei mögliche Erklärungen.
Die erste wäre, dass PDS 70b entstand, bevor die protoplanetare Scheibe mit Kohlenstoff angereichert wurde. Alternativ dazu könnte dieser Exoplanet durch die Aufnahme großer Mengen fester Materialien statt nur von Gasen gewachsen sein.
„Wenn der Planet bevorzugt Eis und Staub aufgesaugt hat, dann wäre das Eis und der Staub verdampft, bevor es in den Planeten gelangte“, so Wang. „Es könnte uns also sagen, dass wir nicht nur Gas mit Gas vergleichen können. Die festen Bestandteile könnten einen großen Unterschied im Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis ausmachen.“
Der nächste Schritt der Forscher besteht darin, das Sternsystem PDS 70 genauer zu untersuchen. Dabei soll auch der Planet PDS 70c, der Begleiter von PDS 70b, untersucht werden.
„Indem wir diese beiden Planeten zusammen untersuchen, können wir die Entstehungsgeschichte des Systems noch besser verstehen“, sagte Hsu. „Aber das ist nur ein einziges System. Im Idealfall müssen wir mehr von ihnen identifizieren, um besser zu verstehen, wie Planeten entstehen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (18. Dezember) in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
