(Bildnachweis: SCIENCE: NASA, ESA, CSA, Olivia C. Jones (UK ATC), Guido De Marchi (ESTEC), Margaret Meixner (USRA) IMAGE PROCESSING: Alyssa Pagan (STScI), Nolan Habel (USRA), Laura Lenkić (USRA), Laurie E. U. Chu (NASA Ames))
Riesengroße, gasreiche Planeten konnten sich im frühen Universum möglicherweise leichter bilden als heute, so die verblüffenden neuen Erkenntnisse des James Webb Space Telescope (JWST), die frühere Beweise des Hubble Space Telescope bestätigen.
Im Jahr 2003 entdeckte Hubble einen massiven Exoplaneten. Daran ist nichts Ungewöhnliches, aber bei näherer Betrachtung entpuppte sich der Planet mit der Bezeichnung PSR B1620-26b als ziemlich seltsam. Er umkreist nicht ein, sondern zwei Objekte, einen Pulsar und einen Weißen Zwerg. Dabei handelt es sich um die Schlacken zweier toter Sterne – eines massereichen Sterns, der zur Supernova wurde, und eines sonnenähnlichen Sterns – und er war der erste zirkumbinäre Exoplanet, der entdeckt wurde (zirkumbinär bedeutet, dass er zwei Sterne umkreist, wie Tatooine in „Star Wars“).
Der Planet liegt in einem Kugelsternhaufen, Messier 4, über 6.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Kugelsternhaufen sind uralte, dicht gepackte Kugeln aus Hunderttausenden von Sternen. PSR B1620-26b ist der einzige Planet, der bisher in einem Kugelsternhaufen gefunden wurde.
Alle diese Beweise weisen auf das Ungewöhnlichste an PSR B1620-26b hin, nämlich dass er sehr alt ist. Schätzungen gehen davon aus, dass er vor 12,7 Milliarden Jahren entstanden ist, was ihn zum mit Abstand ältesten bekannten Exoplaneten macht.
Doch Hubbles Entdeckung war umstritten. Man ging davon aus, dass sich so früh in der 13,7 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums noch keine Planeten gebildet haben können, weil die Zeit für Generationen von Sternen nicht ausreichte, um viele Elemente zu produzieren, die schwerer sind als Wasserstoff oder Helium, und Planeten brauchen im Allgemeinen diese schwereren Elemente. Dies gilt insbesondere für die staubigen, gasförmigen, planetenbildenden oder „protoplanetaren“ Scheiben um junge Sterne.
„Aktuelle theoretische Modelle sagen voraus, dass die Scheiben um die Sterne aufgrund der wenigen schwereren Elemente nur eine kurze Lebensdauer haben, und zwar so kurz, dass die Planeten nicht groß werden können“, sagte Elena Sabbi, leitende Wissenschaftlerin des Gemini-Observatoriums im NOIRLab in Arizona und Mitautorin der neuen Forschungsarbeit, in einer Erklärung. „Aber Hubble hat einen dieser Planeten gesehen, was wäre also, wenn die Modelle nicht korrekt wären und die Scheiben länger leben könnten?“
Jetzt hat das Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) des JWST den eindeutigen Beweis dafür gefunden, dass Planeten bildende Scheiben auch dann überleben können, wenn sie relativ wenige schwere Elemente enthalten, was stark darauf hindeutet, dass die Bildung von Planeten schon früh in der Geschichte des Universums möglich war, auch wenn wir noch nicht ganz verstehen, wie.
JWST zeichnet sich durch die Beobachtung von Galaxien in den ersten Milliarden Jahren der kosmischen Zeit aus, aber bei dieser Aufgabe wurde es auf etwas gerichtet, das näher an unserem Zuhause liegt: den jungen Sternhaufen NGC 346 in der Kleinen Magellanschen Wolke (SMC), einer Satellitengalaxie der Milchstraße in etwa 200.000 Lichtjahren Entfernung.
Zwerggalaxien wie die SMC sind in Bezug auf ihre Chemie oft wenig entwickelt, da ihre Sternentstehungsgeschichte nicht sehr umfangreich ist und sie daher keine Gelegenheit hatten, viele schwere Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium oder Eisen zu bilden. NGC 346 enthält beispielsweise nur etwa 10 % der Menge an schweren Elementen, die Sternentstehungsgebiete in unserer Milchstraße aufweisen. Daher eignen sich Sternhaufen wie NGC 346 hervorragend für die Untersuchung von Bedingungen, wie sie im frühen Universum herrschten.
NGC 346 bildet immer noch viele Sterne, und JWST hat herausgefunden, dass viele der jungen Sterne mit einem Alter von 20 bis 30 Millionen Jahren immer noch planetenbildende Scheiben um sich haben. Ihre Existenz verwirrt die Erwartungen.
„Mit Webb haben wir eine eindeutige Bestätigung dessen, was wir mit Hubble gesehen haben, und wir müssen überdenken, wie wir Computermodelle für die Planetenbildung und die frühe Entwicklung im jungen Universum erstellen“, sagte Guido De Marchi vom Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum (ESTEC) in den Niederlanden, der die Forschung leitete.
Eine Scheibe, die 20 bis 30 Millionen Jahre überlebt, ist eine außergewöhnlich lange Zeit; es wird angenommen, dass die protoplanetare Scheibe in unserem Sonnensystem nicht so lange überlebt hat. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich protoplanetare Scheiben nicht nur in Umgebungen bilden und überleben können, in denen es an schweren Elementen mangelt, sondern dass sie auch länger überleben können, so dass Planeten mehr Zeit haben, sich zu bilden. Während es vielleicht nicht genügend schwere Elemente gibt, um viele felsige Welten zu bilden, bestehen Gasriesen wie Jupiter und Saturn hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, die überall reichlich vorhanden sind.
(Bildnachweis: NASA/ESA/A. Nota (STScI/ESA))
Warum halten sich die Planeten bildenden Scheiben um die Sterne in NGC 346 – und vermutlich auch um die Sterne im frühen Universum – so lange? Das Team von De Marchi hat zwei mögliche Erklärungen.
Die eine ist, dass Scheiben, die fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestehen, vom Sternenlicht schwerer weggeblasen werden können. Der Strahlungsdruck des aufkeimenden Sterns im Herzen der Scheibe bestimmt normalerweise die Lebensdauer einer Scheibe, aber der Prozess ist effizienter, wenn in der Scheibe schwere, staubbildende Elemente vorhanden sind, auf die die Photonen des Sterns einwirken können. Schwere Elemente-arme Scheiben könnten daher länger halten.
Die zweite Möglichkeit geht auf die Entstehung des Sterns selbst zurück. In einem Nebel ohne schwere Elemente wird es für eine Gaswolke schwieriger, zu einem Stern zu kollabieren; die Wolke muss massereicher werden als in der heutigen Milchstraße, damit sie kalt genug wird, damit die Schwerkraft sie zum Kollabieren bringt. Größere Wolken würden zu größeren Scheiben führen, die mehr Masse tragen, und diese Masse würde länger brauchen, bis sich die Strahlung des Sterns verlagert.
„Je mehr Materie die Sterne umgeben, desto länger dauert die Akkretion“, sagt Sabbi. „Die Scheiben brauchen vielleicht 10 Mal länger, um zu verschwinden. Das hat Auswirkungen darauf, wie sich ein Planet bildet und welche Art von Planetensystemen man in diesen verschiedenen Umgebungen haben kann. Das ist sehr aufregend.“
Die neuen Erkenntnisse wurden am 16. Dezember in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
