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PLANETENENTSTEHUNG
Wie der Stern so der Planet?
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
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15. Oktober 2021

Welchen Zusammenhang gibt es zwischen der Zusammensetzung von Planeten und der ihres jeweiligen Zentralsterns? Da beide grundsätzlich aus dem gleichen Material entstehen, sollte es hier zumindest gewisse Ähnlichkeiten geben. Ein internationales Forschungsteam hat nun empirische Belege für einen solchen Zusammenhang gesammelt und dabei auch Überraschendes festgestellt.

Planetenentstehung

Illustration der Planetenentstehung um einen sonnenähnlichen Stern, wobei die Bausteine der Planeten – Gestein und Eisenmoleküle – im Vordergrund zu sehen sind. Bild: Tania Cunha (Planetário do Porto - Centro Ciência Viva & Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço)   [Großansicht]

Sterne und Planeten entstehen aus demselben kosmischen Gas und Staub. Im Verlauf des Entstehungsprozesses kondensiert ein Teil des Materials und bildet Gesteinsplaneten, der Rest wird entweder vom Stern aufgesammelt oder wird Teil von Gasplaneten. Die Annahme eines Zusammenhangs zwischen der Zusammensetzung von Sternen und ihrer Planeten ist daher naheliegend und wird etwa im Sonnensystem durch die meisten Gesteinsplaneten bestätigt, wobei Merkur hier die Ausnahme darstellt.

 Dennoch erweisen sich Annahmen, insbesondere in der Astrophysik, nicht immer als wahr. Eine Studie unter der Leitung des Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço in Portugal, an der auch Forschende des NFS PlanetS der Universität Bern und der Universität Zürich beteiligt sind, liefert nun den ersten empirischen Beweis für diese Annahme – und widerspricht ihr teilweise zugleich.

Um herauszufinden, ob die Zusammensetzung von Sternen und ihren Planeten zusammenhängt, verglich das Team sehr präzise Messungen von beiden. Bei den Sternen wurde ihr ausgestrahltes Licht gemessen, das den charakteristischen spektroskopischen Fingerabdruck ihrer Zusammensetzung trägt. Die Zusammensetzung der Gesteinsplaneten wurde indirekt bestimmt: Aus gemessener Masse und Radius wurde ihre Dichte und Zusammensetzung abgeleitet. Erst in jüngster Zeit sind genügend Planeten so genau vermessen worden, dass aussagekräftige Untersuchungen dieser Art möglich sind.

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"Doch da Sterne und Gesteinsplaneten sehr unterschiedlicher Natur sind, konnten wir ihre Zusammensetzung nicht direkt vergleichen", erklärt Christoph Mordasini von der Universität Bern. "Stattdessen haben wir die Zusammensetzung der Planeten mit einer theoretischen, heruntergekühlten Version ihres Sterns verglichen. Während der größte Teil des Sternmaterials – vor allem Wasserstoff und Helium – bei der Abkühlung als Gas verbleibt, kondensiert ein kleiner Teil, der aus gesteinsbildendem Material wie Eisen und Silikat besteht", erklärt Mordasini.

An der Universität Bern wird seit 2003 das "Berner Modell der Entstehung und Entwicklung von Planeten" laufend weiterentwickelt. "Wir kombinieren in unserem Modell Erkenntnisse zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen", so Mordasini. Mithilfe dieses Berner Modells konnten die Forschenden die Zusammensetzung die Gesteinsmaterials des heruntergekühlten Sterns berechnen. "Das haben wir dann mit den Gesteinsplaneten verglichen", beschreibt Mordasini.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Annahmen bezüglich der Zusammensetzung von Sternen und ihrer Planeten nicht grundlegend falsch waren: Die Zusammensetzung von Gesteinsplaneten ist tatsächlich eng mit jener ihres Wirtssterns verbunden. Allerdings ist die Beziehung nicht so simpel, wie angenommen", fasst Vardan Adibekyan vom Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço die Ergebnisse zusammen. Erwartet hatten die Forschenden, dass die Häufigkeit dieser Elemente im Stern die Obergrenze darstellt. "Doch bei einigen der Planeten ist etwa die Eisenhäufigkeit im Planeten sogar höher als im Stern", erklärt Caroline Dorn von der Universität Zürich. "Dies könnte auf gigantische Einschläge auf diesen Planeten zurückzuführen sein, bei denen ein Teil des äußeren, leichteren Materials abbricht, während der dichte Eisenkern zurückbleibt", so die Forscherin. Die Ergebnisse könnten den Forschenden daher Aufschluss über die Geschichte der Planeten geben.

"Die Ergebnisse dieser Studie sind auch sehr nützlich, um die Zusammensetzung von Planeten einzugrenzen, die auf der Grundlage der aus Masse- und Radiusmessungen berechneten Dichte angenommen wird", erklärt Mordasini. "Da mehr als eine Zusammensetzung zu einer bestimmten Dichte passen kann, sagen uns die Ergebnisse unserer Studie, dass wir die möglichen Zusammensetzungen mithilfe jener des Wirtssterns eingrenzen können." Und da die genaue Zusammensetzung eines Planeten etwa darauf Einfluss hat, wie viel radioaktives Material er enthält oder wie stark sein Magnetfeld ist, kann sie darüber entscheiden ob der Planet lebensfreundlich ist oder nicht.

Ihre Ergebnisse stellt das Team in einem Fachartikel vor, der in der Zeitschrift Science erschienen ist.

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siehe auch
Jupiter: Gasriese wuchs in drei Phasen - 28. August 2018
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