Eine Illustration zeigt einen Stern, der einen nahen, bauschigen „Marshmellow“-Planeten „röstet“ (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Astronomen haben möglicherweise versehentlich das Rätsel um die Entstehung der seltsamen „röstenden Marshmallows“ gelüftet. Mithilfe des Gemini-South-Teleskops haben Forscher herausgefunden, dass der „heiße und aufgeblasene“ ultraheiße Jupiterplanet WASP-121b möglicherweise näher an seinem Stern entstanden ist als bisher angenommen, was unser Wissen über die Entstehung von Planeten in Frage stellt.
Seit der Entdeckung des ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems Mitte der 1990er Jahre ist der Katalog der extrasolaren Planeten, oder „Exoplaneten“, auf über 5.000 Einträge angewachsen. Viele dieser Exoplaneten sind mit denen in unserem Sonnensystem nicht zu vergleichen. Die heißen und ultraheißen Jupiter sind ein Paradebeispiel dafür. Es handelt sich um Gasriesenplaneten, die ein Vielfaches der Masse und Größe des Jupiters haben und ihren Sternen so nahe sind, dass sie eine Umlaufbahn in nur wenigen Stunden vollenden können.
Bis zu einem Drittel der bisher entdeckten Exoplaneten sind heiße Jupiter. Diese heißen, aufgeblasenen Welten sind extremen Temperaturen ausgesetzt, was ihnen den treffenden Spitznamen „röstende Marshmallows“ eingebracht hat. Man nimmt an, dass sich diese Planeten in größerer Entfernung von ihren Sternen auf ähnlichen Bahnen wie Jupiter und Saturn in unserem eigenen Sonnensystem bilden, bevor sie nach innen wandern. Die neue Studie von WASP-121b stellt diese Vorstellungen über die Entstehung jedoch in Frage.
Das Team, das hinter den neuen Forschungen steht, kam zu dieser Schlussfolgerung, als es begann, die Chemie protoplanetarer Scheiben zu untersuchen. Dabei handelt es sich um abgeflachte Gas- und Staubwolken um junge Sterne, aus denen Planeten entstehen, und zwar mit Hilfe des Immersion GRating INfrared Spectrograph (IGRINS)-Instruments am Gemini South-Teleskop in Chile.
Mit IGRINS konnte das Team zum ersten Mal mit einem einzigen Instrument das Verhältnis von Gestein zu Eis für einen umlaufenden Planeten messen. Ihre Messung eliminiert mögliche Fehler, die bei anderen Instrumenten auftreten können, und stellt eine leistungsstarke neue Methode zur Durchführung der chemischen Analyse von Exoplaneten dar.
„Die bodengestützten Daten von Gemini South unter Verwendung von IGRINS ermöglichten tatsächlich präzisere Messungen der einzelnen chemischen Häufigkeiten, als selbst weltraumgestützte Teleskope hätten erreichen können“, sagte Peter Smith vom Roasting Marshmallows Program in einer Erklärung.
„Unsere Instrumentenempfindlichkeit geht so weit, dass wir mit diesen Elementen verschiedene Regionen, Höhen und Längengrade untersuchen können, um Feinheiten wie Windgeschwindigkeiten zu erkennen, was zeigt, wie dynamisch dieser Planet ist.“
Hat sich WASP-121b neben seinem Stern gebildet?
Rund 858 Lichtjahre von der Erde entfernt, hat WASP-121b die 1,2-fache Masse des Jupiters, ist aber aufgebläht und damit 1,9-mal so breit wie der größte Planet des Sonnensystems. Er befindet sich so nahe an seinem Stern, dass er nur 1,3 Erdtage für eine Umrundung benötigt. WASP-121b ist gezeitengebunden, d. h. der Planet hat eine glühend heiße „Tagseite“, die ständig dem stellaren Mutterstern zugewandt ist, und eine kühlere Nachtseite, die ständig ins All hinausschaut.
Die Tagseite von WASP-121b ist mit etwa 2.500 Grad Celsius so heiß, dass Metalle auf dem Planeten verdampfen und in die Atmosphäre aufsteigen können. Diese Metalle werden dann von starken Winden mit 17.700 km/h (11.000 mph) auf die Nachtseite des Planeten geblasen, wo sie abkühlen und als Regen aus flüssigem Metall, Rubin und Saphir niedergehen.
Standardmodelle zur Planetenentstehung legen nahe, dass sich WASP-121b weiter draußen in der protoplanetaren Scheibe, die seinen Stern einst umgab, gebildet haben sollte als an der heutigen Position, bevor er dann nach innen wanderte. Aber die Chemie des Planeten scheint diese Idee nicht zu unterstützen.
In der protoplanetaren Scheibe dieses Systems (und aller anderen) sollte es einen Gradienten gegeben haben, bei dem felsiges und eisiges Material mit zunehmender Entfernung vom Stern von dampfförmig zu fest wurde.
Diese Illustration zeigt, wie sich felsiges und eisiges Material aufgrund ihrer unterschiedlichen Temperaturschwellen in einem Gradienten innerhalb der protoplanetaren Scheibe eines Sterns verteilen. (Bildnachweis: NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld)
Astronomen können nach Signaturen von Elementen in Planeten und ihren Atmosphären suchen und das Verhältnis von felsiger Materie zu eisiger, gasförmiger Materie bestimmen, das bei der Geburt des Planeten vorhanden war. Das sollte ihnen Aufschluss darüber geben, wie weit der Planet von seinem Stern entfernt war.
Um dieses Verhältnis zu bestimmen, müssen die Astronomen in der Regel wiederholte Beobachtungen mit verschiedenen Instrumenten durchführen: ein Instrument für sichtbares Licht, um festes Gesteinsmaterial aufzuspüren, und ein Infrarotinstrument, um gasförmige Materie zu erkennen.
Die Tatsache, dass WASP-121b so heiß ist, bedeutet, dass diese beiden Arten von Elementen in seiner Atmosphäre verdampfen und mit IGRINS nachgewiesen werden können, wenn der Planet die Oberfläche seines Sterns kreuzt oder „durchquert“.
„Das Klima auf diesem Planeten ist extrem und mit dem der Erde nicht zu vergleichen“, sagte Smith. „Die Tagseite des Planeten ist so heiß, dass Elemente, die man normalerweise für ‚Metall‘ hält, in die Atmosphäre verdampfen, so dass sie mit Hilfe der Spektroskopie nachgewiesen werden können.“
Mit IGRINS konnte das Team das Verhältnis von Gestein zu Eis auf WASP-121b ermitteln, das besonders hoch war. Dies deutet darauf hin, dass der Planet in seinen Anfängen in der Lage war, während seiner Entstehung viel felsige Materie aufzunehmen. Das würde darauf hindeuten, dass er in einer Region der protoplanetaren Scheibe geboren wurde, die zu heiß war, um Eis zu kondensieren. Dies war für die Wissenschaftler eine Überraschung, denn nach dem derzeitigen Paradigma brauchen Gasriesen feste Eismassen, um sich zu bilden.
„Unsere Messung bedeutet, dass diese typische Sichtweise vielleicht überdacht und unsere Planetenentstehungsmodelle überarbeitet werden müssen“, fügte Smith hinzu.
Smith und seine Kollegen beabsichtigen nun, ihre Untersuchung von ultraheißen Jupitern in anderen Planetensystemen mit Hilfe der verbesserten IGRINS-2-Instrumente, die derzeit kalibriert und einsatzbereit gemacht werden, auszuweiten.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 2. Dezember in der Zeitschrift The Astronomical Journal veröffentlicht.
