Eine Illustration zeigt einen ultraleichten Super-Puff-Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen eine vierte Welt in einem seltsamen System ultraleichter „Super Puff“-Planeten entdeckt.
Der neue extrasolare Planet oder „Exoplanet“ wurde um den sonnenähnlichen Stern Kepler-51 entdeckt, der sich in einer Entfernung von 2.615 Lichtjahren im Sternbild Schwan befindet.
Besonders bemerkenswert ist, dass die neue Welt, die als Kepler-51e bezeichnet wird, nicht nur der vierte Exoplanet ist, der um diesen Stern kreist; alle anderen Welten sind zuckerwatteartige Planeten. Das bedeutet, dass es sich um ein ganzes System mit einigen der leichtesten Planeten handeln könnte, die je entdeckt wurden.
„Super-Puff-Planeten sind sehr ungewöhnlich, da sie eine sehr geringe Masse und eine niedrige Dichte haben“, sagte Teammitglied Jessica Libby-Roberts vom Penn State’s Center for Exoplanets and Habitable Worlds in einer Erklärung. „Die drei bisher bekannten Planeten, die den Stern Kepler-51 umkreisen, haben etwa die Größe des Saturns, aber nur ein paar Mal die Masse der Erde, was zu einer Dichte wie Zuckerwatte führt.“
Libby-Roberts fügte hinzu, dass das Team die Theorie vertritt, dass diese Zuckerwatteplaneten winzige Kerne und riesige, aufgeblasene Atmosphären aus Wasserstoff oder Helium haben.
„Wie sich diese seltsamen Planeten gebildet haben und wie ihre Atmosphären nicht von der intensiven Strahlung ihres jungen Sterns weggeblasen wurden, ist ein Rätsel geblieben“, fügte sie hinzu. „Wir wollten mit JWST einen dieser Planeten untersuchen, um diese Fragen zu beantworten, aber jetzt müssen wir einen vierten massearmen Planeten in diesem System erklären!“
Inhaltsübersicht
Kepler-51: Ein süßes Sternensystem
Der vierte Bewohner dieses seltsamen Planetensystems wurde entdeckt, als ein Team unter der Leitung von Forschern der Universitäten Penn State und Osaka sich aufmachte, die Eigenschaften seines leichten Geschwisters Kepler-51d zu untersuchen.
Das Team war schockiert, als Kepler-51d zwei Stunden früher als geplant die Oberfläche seines Muttersterns kreuzte oder einen Transit machte.
Transits sind für Astronomen nützlich, denn wenn das Sternenlicht durch die Atmosphäre eines Planeten strömt, absorbieren verschiedene Elemente in dieser Atmosphäre Licht in charakteristischen Wellenlängen. Das bedeutet, dass sie ihren „Fingerabdruck“ hinterlassen, der es den Astronomen ermöglicht, die Zusammensetzung der Atmosphäre und andere Merkmale des Planeten zu bestimmen, indem sie die Wellenlängen des entdeckten Lichts analysieren.
Astronomen sind daran gewöhnt, dass Planeten bei ihren Transits entweder ein paar Minuten zu früh oder ein paar Minuten zu spät kommen, und die Berechnungen des Teams waren um 15 Minuten ungenau. Das kann jedoch nicht für einen zweistündigen Fehler verantwortlich sein.
Sie erwarteten den Transit von Kepler-51d um 2 Uhr morgens EDT im Juni 2023, nachdem sie ihr Drei-Planeten-Modell erfolgreich zur Vorhersage des Transits von Kepler-51d im Mai 2023 eingesetzt hatten. Die Forscher bereiteten sich darauf vor, das Ereignis sowohl mit dem JWST als auch mit dem Teleskop des Apache Point Observatory (APO) zu beobachten. Sie waren schockiert, als der Transit nicht wie vorhergesagt eintrat. Sie gingen zurück zu ihren Daten und stellten fest, dass er bereits stattgefunden hatte.
„Gott sei Dank haben wir ein paar Stunden früher mit der Beobachtung begonnen, um eine Basislinie festzulegen, denn es wurde 2 Uhr nachts, dann 3 Uhr, und wir hatten immer noch keine Veränderung der Helligkeit des Sterns mit APO beobachtet“, sagte Libby-Roberts. „Nachdem wir unsere Modelle erneut durchgespielt und die Daten genau untersucht hatten, entdeckten wir einen leichten Abfall der Sternhelligkeit unmittelbar nach Beginn der Beobachtung mit dem APO, was sich als Beginn des Transits herausstellte – zwei Stunden zu früh, was weit über das 15-Minuten-Fenster der Unsicherheit unserer Modelle hinausgeht!“
Ein Diagramm zeigt den Transit eines Planeten über die Oberfläche seines Muttersterns (Bildnachweis: NASA/ESA/Elizabeth Wheatley (STScI))
Das Team zog Archivdaten von Weltraum- und Bodenteleskopen heran, um zu erklären, warum sie den Transit mit dem JWST fast verpasst hatten, und fand heraus, dass die beste Erklärung die Anwesenheit einer bisher unentdeckten Welt war.
„Das frühe Auftauchen von Kepler-51d hat uns wirklich verwirrt, und keine noch so gute Abstimmung des Drei-Planeten-Modells konnte eine so große Diskrepanz erklären“, sagte Teammitglied und außerordentlicher Professor für Erd- und Weltraumwissenschaften an der Universität Osaka Kento Masuda. „Nur die Hinzufügung eines vierten Planeten konnte diesen Unterschied erklären. Dies ist der erste Planet, der durch Transitzeitvariationen mit JWST entdeckt wurde.“
Wir haben eine so genannte ‚Brute-Force‘-Suche durchgeführt, bei der wir viele verschiedene Kombinationen von Planeteneigenschaften ausprobiert haben, um das Vier-Planeten-Modell zu finden, das alle in den letzten 14 Jahren gesammelten Transitdaten erklärt“, erklärt Masuda. „Wir haben herausgefunden, dass das Signal am besten erklärt wird, wenn Kepler-51e eine ähnliche Masse wie die anderen drei Planeten hat und eine ziemlich kreisförmige Umlaufbahn von etwa 264 Tagen beschreibt – etwas, das wir aufgrund anderer Planetensysteme erwarten würden.
„Andere mögliche Lösungen, die wir gefunden haben, beinhalten einen massiveren Planeten auf einer breiteren Umlaufbahn, obwohl wir diese für weniger wahrscheinlich halten.“
Wie sammelt ein Stern Zuckerwatteplaneten?
Als das Team seine Modelle des Kepler-51-Systems anpasste, um den neuen Planeten zu berücksichtigen, musste es auch die erwarteten Massen der anderen Planeten senken.
Dies hat auch Auswirkungen auf die Theorien über die anderen Eigenschaften dieser Planeten und darüber, wie sich ein so ungewöhnliches Planetensystem gebildet haben könnte. Die Forscher benötigen den Transit von Kepler-51e durch seinen Stern, bevor sie bestätigen können, dass es sich um einen Super-Puff-Planeten handelt.
„Super-Puff-Planeten sind ziemlich selten, und wenn sie vorkommen, sind sie meist die einzigen in einem Planetensystem“, sagte Libby-Roberts. „Als ob es nicht schon schwierig genug wäre zu erklären, wie sich drei Superblasen in einem System gebildet haben, müssen wir jetzt auch noch einen vierten Planeten erklären, egal ob er ein Superblasenplanet ist oder nicht. Und wir können auch nicht ausschließen, dass es noch weitere Planeten in diesem System gibt.“
Da Kepler-51e eine Umlaufbahn von 264 Tagen hat, ist mehr Beobachtungszeit für das System erforderlich, bevor die Forscher sicher sein können, wie sich die Schwerkraft des neuen Planeten auf seine Geschwisterwelten auswirkt. „Kepler-51e hat eine Umlaufbahn, die etwas größer als die der Venus ist, und befindet sich gerade in der bewohnbaren Zone des Sterns, so dass jenseits dieser Entfernung noch viel mehr vor sich gehen könnte, wenn wir uns die Zeit nehmen, nachzusehen“, schloss Libby-Roberts. „Wenn wir uns weiterhin die Variationen des Transitzeitpunkts ansehen, könnte uns das helfen, Planeten zu entdecken, die weiter von ihren Sternen entfernt sind, und könnte uns bei der Suche nach Planeten helfen, die möglicherweise Leben beherbergen könnten.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Dienstag (3. Dezember) im Astronomical Journal veröffentlicht.
