Eine Illustration von zwei kollidierenden jungen Sternsystemen, die eine Flut von herumirrenden Planeten erzeugen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Sind es Sterne? Sind es Planeten? Oder sind sie weder das eine noch das andere? Einige frei umherirrende Objekte mit planetarer Masse, die allein durch das Universum wandern, könnten entstehen, wenn junge Sternsysteme aufeinandertreffen. Das bedeutet, sie bilden eine ganz eigene kosmische Klasse.
Frei schwebende Objekte mit planetarer Masse sind Himmelskörper, die etwa die 13-fache Masse des Jupiters besitzen und häufig in jungen Sternhaufen wie dem Trapez-Sternhaufen im Orion zu finden sind. Ihre Herkunft stellte im Jahr 2023 ein besonderes Rätsel dar, als Astronomen im Orionnebel 40 Paare solcher Objekte entdeckten, die als Jupiter-Mass Binary Objects (JuMBOs) bezeichnet werden.
Mit Massen, die geringer sind als die der kleinsten Sterne, aber größer als die der massereichsten Planeten, stellt sich die große Frage: Entstehen diese Objekte wie Sterne oder wie Planeten? Das Problem dabei ist jedoch, dass weder der eine noch der andere Ursprung die Doppelnatur der JuMBOs erklären kann – oder tatsächlich die allgemeine Häufung frei schwebender planetarer Massenobjekte.
„Planetare Massenobjekte lassen sich nicht einfach in die bestehenden Kategorien von Sternen oder Planeten einordnen“, sagte Deng Hongping vom Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in einer Stellungnahme. „Unsere Simulationen zeigen, dass sie wahrscheinlich durch einen völlig anderen Prozess entstehen – einen, der mit der chaotischen Dynamik junger Sternhaufen verbunden ist.“
Die neue Forschung hat gezeigt, dass diese kosmischen Waisen entstehen könnten, wenn abgeflachte Wolken aus Gas und Staub, sogenannte „zirkumstellare Scheiben“, um junge Sterne heftig miteinander interagieren. Diese heftige Interaktion könnte auftreten, wenn die jungen Sterne eng beieinander liegen.
Früher gingen Wissenschaftler davon aus, dass frei schwebende Objekte mit planetarer Masse einfach verirrte Planeten sind, die durch Begegnungen mit vorbeiziehenden Sternen oder gravitative Auseinandersetzungen mit ihren Geschwisterplaneten aus ihren Heimatsternsystemen geschleudert wurden.
Allerdings stellt die Existenz von JuMBO-Paaren diese Annahme infrage.
Das liegt daran, dass es schwer zu erklären ist, wie ein Ereignis heftig genug sein könnte, um einen Planeten mit hoher Geschwindigkeit aus seinem Sternsystem zu schleudern, ohne ihn von einem binären Partner zu trennen.
Zwar ist es denkbar, dass ein seltsames Ereignis dies verursachen könnte, doch die Entdeckung von 40 Paaren von JuMBOs in einem einzigen Nebel deutet darauf hin, dass ihre Entstehung häufiger vorkommt als ein einmaliges Ereignis.
Eine Illustration von zwei kollidierenden jungen Sternsystemen, die eine Flut von herumirrenden Planeten erzeugen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Eine weitere „geheime Identität“, die für frei schwebende planetare Massenobjekte vorgeschlagen wird, sind Braune Zwerge. Man nimmt an, dass diese Objekte ähnlich wie Sterne entstehen, wenn dichte Bereiche in riesigen Wolken aus Gas und Staub kollabieren.
Während Sterne Masse aus ihren pränatalen Hüllen aus Gas und Staub ansammeln, bis der Druck und die Temperatur in ihren Kernen ausreichen, um die Fusion von Wasserstoff zu Helium zu starten – ein Prozess, der einen Stern definiert –, gelingt es Braunen Zwergen nicht, genug Masse zu sammeln, um diesen Prozess in Gang zu setzen. Das führt dazu, dass diese „gescheiterten Sterne“ Massen zwischen dem 13- und 75-fachen des Jupiters (0,013 bis 0,075 Sonnenmassen) aufweisen.
Außerdem nimmt die Wahrscheinlichkeit, Sterne mit Doppelpartnern zu finden, rapide ab, je geringer ihre Masse ist. Während etwa 75 % der massereichen Sterne einen Partner haben, sind nur rund 50 % der Sterne mit Sonnenmasse in Doppelsystemen zu finden. Bei den kleinsten Sternen sinkt diese Rate nahezu auf null. Daher ist es äußerst unwahrscheinlich, Braune Zwerge in Doppelsystemen zu entdecken, da sie noch weniger Masse besitzen.
Wenn frei fliegende Objekte mit planetarer Masse tatsächlich Braune Zwerge wären, wäre die große Anzahl von ihnen in Doppelsystemen nur schwer zu erklären.
Eine Illustration von zwei kollidierenden jungen Sternsystemen, die eine Flut von herumirrenden Planeten erzeugen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, führten Deng und seine Kollegen eine hochauflösende hydrodynamische Simulation durch, die die engen Begegnungen zwischen zwei zirkumstellaren Scheiben um junge Sterne untersuchte.
Das Team stellte fest, dass sich bei Kollisionen dieser Scheiben mit Geschwindigkeiten von etwa 7.242 bis 10.783 Kilometern pro Stunde und bei Abständen von etwa 300 bis 400 Mal der Entfernung zwischen Erde und Sonne eine sogenannte „Gezeitenbrücke“ aus Gas und Staub bildet.
Eine Illustration von zwei kollidierenden jungen Sternsystemen, die eine Flut von herumirrenden Planeten erzeugen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Diese Gezeitenbrücken kollabieren und bilden dichte Gasfilamente, die sich dann in sogenannte „Keime“ von Objekten mit planetarer Masse aufspalten, wie das Team erklärt. Diese Keime haben etwa die zehnfache Masse des Jupiters.
Die Simulationen zeigten, dass etwa 14 % dieser Objekte in Paaren oder Dreiergruppen entstehen, wobei der Abstand zwischen ihnen etwa das Sieben- bis Fünfzehnfache der Entfernung zwischen Sonne und Erde beträgt.
Dies könnte die Häufigkeit von JuMBOs im Orion erklären.
Die Ergebnisse des Teams werden durch die Tatsache gestützt, dass Begegnungen zwischen Scheiben um Sterne in dichten stellaren Umgebungen wie dem Trapezium-Cluster bekanntlich häufig vorkommen. Dies bedeutet, dass solche Regionen Hunderte von Objekten mit planetarer Masse erzeugen könnten, was ihre große Anzahl im Kosmos erklärt.
„Diese Entdeckung verändert teilweise unsere Sicht auf die kosmische Vielfalt“, sagte Lucio Mayer von der Universität Zürich, ein Mitglied des Teams. „Planetare Massenobjekte könnten eine dritte Klasse von Objekten darstellen. Sie entstehen weder aus dem Rohmaterial von Sternentstehungswolken noch durch planetenbildende Prozesse, sondern vielmehr aus dem gravitativen Chaos von Scheibenkollisionen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 26. Februar in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
