Eine künstlerische Darstellung des Exoplaneten Gaia-4b, der seinen Stern umkreist, zeigt die Form seiner Umlaufbahn (Bildnachweis: ESA/Gaia/DPAC/M. Marcussen).
Es wurde einer der größten Exoplaneten entdeckt, der einen relativ massearmen Stern umkreist. Dies ist auf die Art und Weise zurückzuführen, wie die Schwerkraft des Planeten seinen Stern auf seiner Reise durch den Weltraum mit sich zieht.
Der Planet ist die vierte Welt, die in den Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation entdeckt wurde. Die Gaia-Mission wurde entwickelt, um eine Milliarde Sterne in unserer Milchstraßengalaxie zu kartieren und ihre Massen, Helligkeiten, Temperaturen und Bewegungen im Weltraum zu erfassen.
Diese letzte Eigenschaft führte zur Entdeckung des riesigen Exoplaneten Gaia-4b. Er umkreist einen 244 Lichtjahre entfernten Stern und ist ein überdimensionaler Gasriese mit einer Masse, die 11,8 Mal größer ist als die des Jupiters.
„Mit einer Umlaufzeit von 570 Tagen ist er ein relativ kalter Gasriese“, so Guðmundur Stefánsson von der Universität Amsterdam in einer Erklärung. Mit dieser Umlaufzeit befindet er sich etwas näher an seinem Stern als der Mars an der Sonne, aber da sein Stern weniger massereich und leuchtschwächer ist als der unsere, ist Gaia-4b wahrscheinlich nicht so warm wie der Mars.
Da Gaia-4b so massiv ist, übt er eine starke Anziehungskraft auf seinen Stern aus, einen unscheinbaren orangefarbenen Zwerg der Klasse K mit nur 64 % der Masse unserer Sonne. Als Gaia die Eigenbewegung des Sterns am Himmel aufzeichnete, bemerkte es, dass die Bahn des Sterns durch den Raum leicht wackelte, als ob er von etwas in einer Art Korkenzieherbewegung über den Himmel hin und her gezogen würde. Die Astronomen nennen diese Technik zum Aufspüren von Exoplaneten die astrometrische Methode, weil sie die Verfolgung der Position und Bewegung eines Sterns erfordert, ein Gebiet, das als Astrometrie bekannt ist.
Tatsächlich hat Gaia diese Taumelbewegung bei zahlreichen Sternen festgestellt, so dass Stefánsson ein Team von Astronomen leitete, um diesen Korkenziehersystemen nachzugehen.
„Die Bewegung dieser Sterne ist jedoch nicht unbedingt auf einen Planeten zurückzuführen“, so Stefánsson. „Stattdessen könnte es sich um ein Paar von Sternen handeln, die zu nahe beieinander liegen, als dass Gaia sie als separate Objekte erkennen könnte.“
Um festzustellen, was der Fall ist, setzte Stefánssons Team ein Trio von Instrumenten ein: den NEID-Spektrographen (ausgesprochen „nu-id“) am 3,5-Meter-Teleskop WIYN am Kitt Peak National Observatory in Arizona sowie den Habitable-zone Planet Finder am 10-Meter-Hobby-Eberly-Teleskop am McDonald Observatory in Texas und den FIES-Spektrographen am 2,6-Meter-Nordic Optical Telescope auf La Palma auf den Kanarischen Inseln.
Diese Spektrographen sind in der Lage, die Radialgeschwindigkeit eines Sterns zu messen, d. h. wie sich ein Stern um seine Achse dreht, wenn er sein Massenzentrum gemeinsam mit einem umkreisenden Begleiter umrundet. Je größer die Masse des Begleiters ist, desto größer ist die Radialgeschwindigkeits-Doppler-Verschiebung im Licht des Sterns.
Wie die astrometrische Technik die Korkenzieherbewegung von Sternen mit Begleitern erkennen kann. (Bildnachweis: ESA)
Stefánssons Team hatte in den Gaia-Daten 28 Kandidaten identifiziert. Von diesen erwiesen sich 21 als Doppelsternsysteme. Fünf blieben unschlüssig. Bei einem handelt es sich um einen Stern, der von einem braunen Zwerg umkreist wird – ein Objekt, das die Grenze zwischen einem Planeten und einem Stern überschreitet -, der jetzt Gaia-5b genannt wird, und einer entpuppte sich als Planet, Gaia-4b.
Einige Astronomen könnten jedoch argumentieren, dass Gaia-4b auch als Brauner Zwerg eingestuft werden könnte; die Grenzen zwischen Planet und Braunem Zwerg sind fließend. Für einige Astronomen hängt die Unterscheidung davon ab, wie das Objekt entstanden ist. Ist es durch die Akkretion von Gesteinsmaterial entstanden, um einen riesigen Kern von der Größe einer Supererde zu bilden, um den sich riesige Mengen von Gas gewickelt haben, wie bei der Bildung von Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem? Oder entstand er wie ein Stern durch den Gravitationskollaps einer Gaswolke nach der Fragmentierung der Gasscheibe, die den Hauptstern umgab und ernährte?
Andere Forscher unterscheiden zwischen Planeten und Braunen Zwergen, je nachdem, ob sie in der Lage sind, für kurze Zeit Kernfusionsreaktionen mit Deuterium durchzuführen (vollwertige Sterne verwenden Wasserstoff für ihre Kernreaktionen). Aber wie Stefánssons Team anmerkt, ist es nicht wirklich möglich zu sagen, was im Inneren dieser entfernten Körper vor sich geht.
Eine dritte Möglichkeit besteht darin, Planeten und Braune Zwerge anhand ihrer Masse zu unterscheiden. Eine Masse, die 13-mal größer ist als die des Jupiters, wird normalerweise als untere Grenze für einen Braunen Zwerg angesehen, aber das ist eine gewisse Willkür.
Gaia-5b, der einen 134 Lichtjahre von der Erde entfernten roten Zwergstern umkreist, hat die 20,9-fache Masse des Jupiters, so dass es sicher erscheint, dieses Objekt als braunen Zwerg zu bezeichnen.
Gaia-4b ist etwas problematischer. Rein von der Masse her wird er als Planet eingestuft. Das Team von Stefánsson untersuchte jedoch die Häufigkeit schwerer Elemente in der Zusammensetzung des Zentralsterns und stellte fest, dass seine Chemie der unserer Sonne ziemlich ähnlich ist. Gesteinsplaneten bzw. die felsigen Kerne von Riesenplaneten benötigen für ihre Entstehung einen ausreichenden Vorrat an schweren Elementen. Während unsere Sonne und Gaia-4 über genügend schwere Elemente zu verfügen scheinen, um Planeten der Jupitermasse zu bilden, erscheint es fraglich, ob ein Objekt mit der 11,8-fachen Jupitermasse aus den vorhandenen Ressourcen entstehen könnte. Stefánsson schlug daher vor, dass dies darauf hindeutet, dass Gaia-4b durch einen Gravitationskollaps nach einer Scheibenzersplitterung entstanden ist, bei der eine Art Instabilität die Gasscheibe um den Zentralstern effektiv zerbrach.
Das bedeutet, dass Gaia-4b eigentlich eher als Brauner Zwerg denn als Planet bezeichnet werden sollte? Wenn wir ihn als Planeten bezeichnen, dann ist er einer der massereichsten Planeten, die um einen massearmen Stern gefunden wurden – solche Welten sind einfach deshalb selten, weil massearme Sternsysteme nicht viel zusätzliches Material zur Verfügung haben, um Riesenplaneten zu bilden. Bei der Frage, ob es sich um einen Planeten oder einen Braunen Zwerg handelt, bleibt das Team von Stefánsson offen.
Auch wenn Gaia im Januar nach 12 Jahren Beobachtung eingestellt wurde, gibt es immer noch Unmengen an Daten, die von der Mission analysiert werden müssen. Diese Daten werden in großen Paketen veröffentlicht; das letzte war die Datenfreigabe 3 (DR3) im Jahr 2022 (und wurde 2023 durch zusätzliche Daten ergänzt), und die DR4 wird für 2026 erwartet.
Es werden „noch mehr Planeten kommen, wenn etwa das letzte Jahr der Daten analysiert ist“, sagte Jayadev Rajagopal, ein Mitglied von Stefánssons Team am NOIRLab der U.S. National Science Foundation, in einer anderen Erklärung. „Diese Arbeit ist ein Vorbote der Zukunft, in der Gaia-Entdeckungen von Planeten und Braunen Zwergen durch NEID-Daten bestätigt oder verworfen werden müssen.“
Die ersten beiden Planeten, die von Gaia entdeckt wurden, Gaia-1b und Gaia-2b, wurden beide gefunden, als Gaia sie beim Transit um ihren Stern entdeckte. Der dritte Planet, Gaia-3b, war etwas komplizierter, da er astrometrisch entdeckt wurde, als er einen der Sterne in einem Doppelsternsystem umkreiste. Insgesamt wurden bisher nur etwa 200 Planeten mit der astrometrischen Methode entdeckt, aber mit Gaia DR4 am Horizont und Stefánssons Team könnten bald viele weitere hinzukommen.
Die Entdeckung von Gaia-4b und 5b wurde am 4. Februar im The Astronomical Journal veröffentlicht.
