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EXTRASOLARE PLANETEN
Ein Planet, den es nicht geben sollte
Redaktion / Pressemitteilung des MPI für Astronomie und der Universität Bern
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27. September 2019

Astronominnen und Astronomen des CARMENES-Konsortiums haben einen neuen Exoplaneten entdeckt, der nach derzeitigem Wissensstand nicht existieren dürfte: Die Forschungsgruppe fand einen Gasplaneten, dessen Masse im Vergleich zu seinem Mutterstern GJ 3512 ungewöhnlich groß ist. Das lässt auf eine überraschende Entstehungsgeschichte schließen.

Calar Alto

Der Exoplanet GJ 3512b wurde vom CARMENES Konsortium entdeckt mit einem Teleskop am Calar Alto Observatorium in Südspanien. Bild: Pedro Amado / Marco Azzaro - IAA/CSIC  [Großansicht]

 Planeten, so der aktuelle Stand der Forschung, sind ein Nebenprodukt der Entstehung von Sternen. Sie bilden sich in der Scheibe, aus der ihr Mutterstern ebenfalls hervorging. Das vorherrschende Modell für die Entstehung von Planeten basiert auf der Vorstellung, dass sich zunächst ein Objekt aus festen Teilchen in der Scheibe aufbaut. Die Schwerkraft dieses Planetenembryos sorgt dann dafür, dass sich eine Atmosphäre aus dem umgebenden Gas formiert.

Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des CARMENES-Konsortiums unter der Leitung von Juan Carlos Morales vom Institut de Ciències de l’Espai und Institut d’Estudis Espacials de Catalunya in Barcelona einen Gasplaneten ähnlich dem Jupiter entdeckt, der diesem Modell widerspricht. Vielmehr scheint es, dass er sich ohne einen festen Kondensationskeim direkt aus der Scheibe entwickelt hat.

Dieser Gasriese, genannt GJ 3512 b, ist zusammen mit seinem Mutterstern GJ 3512 nur rund 30 Lichtjahre von der Sonne entfernt und hat eine Masse von mindestens der Hälfte des Jupiter. Für einen Umlauf benötigt er 204 Tage. Für sich genommen ist GJ 3512 b nicht außergewöhnlich – wohl aber, dass er sich in einem Orbit um einen roten Zwergstern befindet. GJ 3512 besitzt nur 12 Prozent der Masse der Sonne, so dass das Massenverhältnis zwischen dem Stern und dem Planeten höchstens 270 beträgt. Im Vergleich dazu ist die Sonne etwa 1050 Mal schwerer als Jupiter.

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Dieses Detail bereitet den theoretischen Physikerinnen und Physikern Kopfzerbrechen. Die Gas- und Staubscheiben, aus denen sich massearme Sterne wie GJ 3512 bilden, sollten ebenfalls eher wenig Material beinhalten. Zu wenig, wie die Modelle ergeben, um Planetenembryos entstehen zu lassen, aus denen sich Gasriesen wie GJ 3512 b entwickeln. "Ein Ausweg bestünde in einer sehr massereichen Scheibe, die die benötigten Bausteine in ausreichender Menge besitzt", erklärt Team-Mitglied Hubert Klahr, der am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg eine Arbeitsgruppe zur Theorie der Planetenentstehung leitet.

Wenn jedoch eine Scheibe aus Gas und Staub, die sich um einen Stern befindet, mehr als ungefähr 1/10 der Sternmasse besitzt, reicht die Gravitationswirkung des Sterns nicht mehr aus, um die Scheibe stabil zu halten. Die Schwerkraft des Scheibenmaterials selbst macht sich bemerkbar und beeinflusst ihre Struktur. Ein gravitativer Kollaps des Gases wie bei der Entstehung von Sternen ist die Folge. Solch massereiche Scheiben sind bei jungen Zwergsternen allerdings bislang nicht beobachtet worden.

Noch schwieriger wird die Situation dadurch, dass es anscheinend Hinweise für einen zweiten Planeten gibt, der sich in einem weiten Orbit um GJ 3512 befindet. Zusätzlich zu diesen beiden Planeten spricht die stark elliptische Bahn von GJ 3512 b dafür, dass er einst von einem dritten Planeten ähnlicher Masse gravitativ beeinflusst wurde. Dieser mutmaßliche dritte Planet muss dabei jedoch offensichtlich aus dem Planetensystem geschleudert worden sein.

Neben GJ 3512 b musste die ursprüngliche Scheibe also Material für mindestens einen weiteren Planeten bereitstellen. Die dafür erforderliche Scheibenmasse liegt damit klar außerhalb der Grenzen der aktuellen Stern- und Planetenbildungsmodelle. Somit folgerten die Forscherinnen und Forscher des MPIA, der Universität Lund in Schweden sowie der Universität Bern, die sich mit der Simulation der Entstehung von Planeten befassen, dass das sogenannte "core accretion"-Modell nicht in der Lage ist, die Existenz von GJ 3512 b zu erklären.

"Unser Modell zur Entstehung und Entwicklung von Planeten sagt voraus, dass bei kleinen Sternen eine große Zahl von kleinen Planeten gebildet werden", fasst Christoph Mordasini vom Physikalischen Institut der Universität Bern zusammen. Er führt als Beispiel ein anderes, bekanntes Planetensystem an: Trappist-1. Bei diesem Stern, der mit GJ 3512 vergleichbar ist, existieren sieben Planeten mit Massen, die ungefähr einer Erdmasse oder sogar weniger entsprechen. In diesem Fall stimmen die Berechnungen des Modells gut mit der Beobachtung überein. Nicht so bei GJ 3512. "Unser Modell sagt voraus, dass es um solche Sterne gar keine Riesenplaneten geben sollte", sagt Mordasini. Eine mögliche Erklärung für das Versagen der gängigen Theorie könnte der Mechanismus sein, der dem Modell zugrunde liegt, die sogenannte Kernakkretion. Dabei entstehen Planeten, indem sie schrittweise durch Ansammlung von kleinen Körpern zu immer größeren Massen wachsen.

Deswegen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersucht, unter welchen Bedingungen das bislang eher vernachlässigte Szenario des "gravitativen Kollapses" innerhalb einer Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern zur Bildung eines Planeten wie GJ 3512 b führen könnte. "Dabei kollabiert ein Teil der Gasscheibe, in der die Planeten entstehen, direkt unter seiner eigenen Schwerkraft", erklärt Mordasini.

Mit unterschiedlichen Ansätzen kamen sie zu dem gleichen Ergebnis, dass GJ 3512 b über diesen Prozess hätte entstehen können. Die Bereiche in der Scheibe jenseits von 10 Astronomischen Einheiten, eine Astronomische Einheit entspricht der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne, vom Zentralstern sind mit Temperaturen von etwa -263 °C sehr kalt. Dort vermag der thermische Druck die Gravitationswirkung des Materials nicht auszugleichen, so dass sie unter ihrem Eigengewicht kollabiert.

Im Anschluss muss der noch junge Planet über große Distanzen auf seine derzeitige Position gewandert sein, die sich in einer Entfernung von deutlich unter einer Astronomischen Einheit vom Zentralstern befindet. Das ist wiederum mit den aktuellen Modellen der Entwicklung von Planetensystemen verträglich.

GJ 3512 b wurde mit dem Spektrografen CARMENES mithilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt, bei der man nach dem "Wackeln" eines Sterns sucht, das durch einen umlaufenden Planeten verursacht. Es spiegelt sich im Spektrum des Sterns wider. CARMENES nimmt Spektren im sichtbaren sowie im infraroten Licht auf. "Rote Zwergsterne wie GJ 3512 können sehr aktiv sein und Signale erzeugen, die denen von Planeten ähneln", erklärt Diana Kossakowski (MPIA), die maßgeblich an der Auswertung der Daten mitwirkte. "Die Infrarot-Spektren waren wichtig, um zu bestätigen, dass wir tatsächlich einen Planeten gefunden haben." Der Planet befindet sich auf einer Bahn, die ihn in Abständen zwischen 0,2 und 0,5 Astronomischen Einheiten um GJ 3512 herumführt.

"Bisher waren die einzigen Planeten, deren Bildung mit Scheibeninstabilitäten kompatibel waren, eine Handvoll junger, heißer und sehr massereicher Planeten in großer Entfernung von ihren Wirtssternen", gibt Klahr zu bedenken. "Mit GJ 3512 b haben wir nun einen außergewöhnlichen Kandidaten für einen Planeten, der über die Instabilität einer Scheibe um einen recht massearmen Stern entstanden sein könnte. Dieser Fund veranlasst uns zur Überprüfung unserer Modelle."

Über ihren Fund berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Science erschienen ist.

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siehe auch
CARMENES: Zwei Planeten um Teegardens Stern - 18. Juni 2019
Extrasolare Planeten: Carmenses findet ersten Planeten - 18. Dezember 2017
Extrasolare Planeten: Suche nach blauen Erden um rote Sterne - 31. März 2017
Ferne Welten - die astronews.com Berichterstattung über die Suche nach extrasolaren Planeten
Links im WWW
Preprint des Fachartikel bei arXiv.org
CARMENES, Webseite am Calar-Alto-Observatorium
Max-Planck-Institut für Astronomie
Universität Bern
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