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Eine Illustration, die einen Gasriesen-Exoplaneten zeigt, der sich in einen heißen Jupiter verwandelt (Bildnachweis: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva)

Ein entfernter Gasriesenplanet hat mehr zu bieten, als man denkt.

Astronomen haben entdeckt, dass der extrasolare Planet, oder „Exoplanet“, nicht nur eine der seltsamsten Umlaufbahnen hat, die je gesehen wurden, sondern sich auch in eine „heiße Jupiter“-Welt verwandelt. Das Verständnis dieser Umwandlung könnte den Wissenschaftlern helfen, sich ein besseres Bild davon zu machen, wie die Welten dieser seltsamen Klasse entstehen.

Der Exoplanet mit der Bezeichnung TIC 241249530 b, der etwa 998 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, wurde erstmals im Januar 2020 vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA entdeckt, als er die Oberfläche seines Muttersterns kreuzte oder „durchquerte“.

Der Planet umkreist seinen Stern, TIC 241249530, in einer Entfernung, die etwa 12 % der Entfernung zwischen Erde und Sonne entspricht. Diese Nähe bedeutet, dass er eine Umlaufbahn in nur 15,2 Erdtagen durchläuft. Aber das ist nicht das Besondere an der Umlaufbahn dieses Planeten.

Die meisten Planeten haben keine perfekt kreisförmigen Bahnen. Vielmehr sind die meisten Planetenbahnen elliptisch mit einer gewissen Abflachung, die Astronomen „Exzentrizität“ nennen. TIC 241249530 b hat eine der am stärksten gestreckten und abgeflachten Bahnen, die Astronomen je gesehen haben. Außerdem umkreist der jupitergroße Planet seinen Stern „rückwärts“ im Vergleich zur Sternrotation.

Heiße Jupiter sind jedoch Exoplaneten, die ihren Planeten in einem Abstand umkreisen, der es ihnen ermöglicht, ein Jahr in nur 10 Erdtagen oder weniger abzuschließen. Das bedeutet, dass TIC 241249530 b kein heißer Jupiter ist – zumindest noch nicht. Derzeit ist es den Astronomen ein Rätsel, wie heiße Jupiter so nahe an ihre Muttersterne herankommen. Die Wissenschaftler vermuten, dass sich diese Planeten weiter entfernt von ihren Sternen bilden und dann nach innen wandern.

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Doch die frühen Stadien dieses Migrationsprozesses sind immer noch frustrierend schwer zu fassen, selbst nachdem Astronomen mindestens 5.600 Exoplaneten beobachtet und bestätigt haben.

Ein Team von Astronomen hat zwei Instrumente des 3,5-Meter-Teleskops WIYN am Kitt Peak National Observatory (KPNO) eingesetzt, um TIC 241249530 b zu beobachten und ihn als einen heißen Jupiter im Frühstadium zu entlarven.

„Astronomen suchen seit mehr als zwei Jahrzehnten nach Exoplaneten, die wahrscheinlich Vorläufer von heißen Jupitern oder Zwischenprodukte des Migrationsprozesses sind, daher war ich sehr überrascht – und aufgeregt – einen solchen Planeten zu finden“, sagte der Teamleiter Arvind Gupta, ein NOIRLab-Postdoktorand, in einer Erklärung. „Es ist genau das, was ich zu finden gehofft hatte.“

Ein heißer Jupiter im Entstehen

Die Wissenschaftler setzten zunächst den NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI) ein, um von der Erdatmosphäre verursachte „funkelnde“ Muster zu entfernen und das Rauschen anderer Lichtquellen zu reduzieren, die das Signal des Sterns TIC 241249530 beim Durchgang seines Planeten verunreinigen könnten.

Als Nächstes wurde die Geschwindigkeit des Exoplaneten um den Stern mit dem NEID-Spektrographen gemessen, um die Lichtverschiebung des Sterns zu bestimmen.

„NESSI hat uns einen schärferen Blick auf den Stern ermöglicht, als es sonst möglich gewesen wäre, und NEID hat das Spektrum des Sterns präzise gemessen, um Verschiebungen als Reaktion auf den umkreisenden Exoplaneten zu erkennen“, so Gupta.

Die Analyse dieses Spektrums durch das Team bestätigte, dass TIC 241249530 b eine Masse hat, die etwa fünfmal so groß ist wie die des Jupiters. Die Untersuchung ergab auch, dass der Planet eine extrem exzentrische Umlaufbahn hat. Die Exzentrizität der Umlaufbahn eines Planeten wird auf einer Skala von 0 bis 1 gemessen, wobei 0 für eine perfekt kreisförmige Umlaufbahn und 1 für eine stark elliptische Umlaufbahn steht.

Die stark elliptische Umlaufbahn des Zwergplaneten Pluto um die Sonne hat eine Exzentrizität von 0,25, während die nahezu perfekt kreisförmige Umlaufbahn der Erde eine Exzentrizität von 0,02 aufweist. Die Umlaufbahn von TIC 241249530 b hat eine Exzentrizität von 0,94 und ist damit exzentrischer als die Umlaufbahn jedes anderen Exoplaneten, der jemals mit der Transitmethode zur Entdeckung von Exoplaneten gefunden wurde.

Es gibt noch einen weiteren Planeten mit einer flacheren Umlaufbahn, HD 20782 b, ein Gasriese in 1117 Lichtjahren Entfernung. Seine Umlaufbahn hat eine Exzentrizität von 0,956, aber diese Welt wurde nicht mit der Transitmethode entdeckt.

Ein Bild, das die seltsam verlängerte Umlaufbahn von TIC 241249530 b im Vergleich zu den meist kreisförmigen Umlaufbahnen von Erde und Merkur (dem sonnennächsten Planeten) zeigt (Bildnachweis: NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor)

Wenn TIC 241249530 b im Sonnensystem platziert wäre, würde seine Umlaufbahn ihn 10-mal näher an die Sonne bringen als Merkur (der etwa 3 Millionen Meilen oder 4,8 Millionen Kilometer entfernt ist) und dann direkt auf die maximale Entfernung der Erde von der Sonne hinauslaufen (etwa 95 Millionen Meilen oder 153 Millionen Kilometer). Dies würde dazu führen, dass die Temperaturschwankungen auf TIC 241249530 b von denen eines schönen Sommertages auf der Erde bis zu einer Temperatur reichen, die ausreicht, um Blei zu schmelzen.

Die Bewegung von TIC 241249530 b um seinen Stern hatte noch eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft. Der Planet umkreist seinen Stern in entgegengesetzter Richtung zur Rotation des Sterns, was als „retrograde Bewegung“ bezeichnet wird. Dies ist ein seltenes Phänomen bei Exoplaneten und ein Merkmal, das nur bei zwei Planeten des Sonnensystems, Venus und Uranus, zu beobachten ist.

Diese beiden Aspekte der Umlaufbahn von TIC 241249530 b gaben dem Team den Hinweis auf seine bevorstehende Umwandlung in einen heißen Jupiter. Das Team geht davon aus, dass sich die Umlaufbahn des Planeten aufgrund seiner stark exzentrischen Bahn in der Nähe seines Sterns wie der 2D-Schatten eines sich aufblasenden Strandballs auszufüllen beginnt. Es wird erwartet, dass dies geschieht, weil die durch die Schwerkraft des Sterns erzeugten Gezeitenkräfte dem Exoplaneten Energie aus der Umlaufbahn entziehen.

Wenn die Umlaufbahn des Planeten „kreisförmig“ wird, schrumpft sie auch, wodurch TIC 241249530 b näher an seinen Stern heranrückt und ihm ein Jahr mit einer Dauer von weniger als 10 Erdtagen beschert, was signalisiert, dass die Umwandlung in einen heißen Jupiter abgeschlossen ist.

TIC 241249530 b ist erst der zweite entdeckte Exoplanet, der sich in der Phase vor der Wanderung zum heißen Jupiter zu befinden scheint. Sowohl TIC 241249530 b als auch das vorherige Beispiel eines solchen Vorläufers eines heißen Jupiters scheinen die Umwandlung von massereicheren Gasriesen in heiße Jupiter durch ihre Migration von stark exzentrischen Bahnen zu engeren und kreisförmigen Bahnen zu unterstützen.

„Wir können zwar nicht zurückspulen und den Prozess der Planetenwanderung in Echtzeit beobachten, aber dieser Exoplanet dient als eine Art Schnappschuss des Wanderungsprozesses“, schloss Gupta. „Planeten wie dieser sind unglaublich selten und schwer zu finden, und wir hoffen, dass er uns helfen kann, die Geschichte der Entstehung des heißen Jupiters zu entschlüsseln.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 17. Juli in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.