Extrasolares Planetensystem um Hauptreihenstern
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Autor: Raumfahrer.net Redaktion / 02. Juli 2020, 08:39 Uhr

Erstmals freigelegter Planetenkern entdeckt

Forschende unter der Leitung der Universität Warwick haben erstmals den freigelegten Kern eines Exoplaneten entdeckt, der einen noch nie dagewesenen Blick ins Innere eines Planeten erlaubt. Federführend beteiligt an der theoretischen Interpretation dieser Entdeckung ist Christoph Mordasini von der Universität Bern. Eine Medienmitteilung der Universität Bern.

Quelle: Universität Bern
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University of Warwick/Mark Garlick

Bild vergrößernKünstlerische Darstellung, die einen neptungroßen Planeten in der Neptunwüste zeigt. Es ist äußerst selten, ein Objekt von dieser Größe und Dichte so nahe an seinem Stern zu finden.
(Bild: University of Warwick/Mark Garlick)
1. Juli 2020 - Der neu entdeckte Exoplanet TOI 849 b bietet die einzigartige Gelegenheit, in das Innere eines Planeten zu blicken und etwas über seine Zusammensetzung zu erfahren. Er kreist um einen etwa 730 Lichtjahre entfernten Stern, der unserer Sonne sehr ähnlich ist. Der freigelegte Kern hat die gleiche Größe wie Neptun in unserem Sonnensystem. Die Forschenden nehmen an, dass es sich um einen Gasriesen handelt, der entweder seiner Gasatmosphäre beraubt wurde oder wegen eines außergewöhnlichen Vorkommnis keine massive Gasatmosphäre bilden konnte wie normalerweise. Die Studie des Teams unter der Leitung von Dr. David Armstrong vom Department of Physics der University of Warwick erscheint heute in der Zeitschrift Nature. PD Dr. Christoph Mordasini vom Physikalischen Institut der Universität Bern war federführend an der theoretischen Interpretation der Entdeckung beteiligt.

Ein Jahr, das nur 18 Stunden dauert
Bei TOI 849 b handelt sich um einen äußerst ungewöhnlichen Planeten in der sogenannten «Neptunwüste» – ein in der Astronomie verwendeter Begriff für eine Region in der Nähe von Sternen, in der es selten Planeten mit der Masse von Neptun gibt. Der Hauptautor der Studie, Dr. David Armstrong von der University of Warwick, sagt: «Der Planet befindet sich seltsam nah an seinem Stern, wenn man seine Masse betrachtet. Anders gesagt: es sind keine Planeten mit dieser Masse bekannt, die eine so kurze Umlaufzeit um ihren Stern haben.» TOI 849 b kreist so nahe an seinem Wirtsstern, dass ein Jahr nur 18 Stunden dauert und seine Oberflächentemperatur etwa 1.500 °C beträgt.

Universität Bern

Bild vergrößernPD Dr. Christoph Mordasini, Physikalisches Institut, Weltraumforschung und Planetologie (WP)
(Bild: Universität Bern)
Christoph Mordasini erklärt: «Wir haben die Masse und den Radius des Planeten bestimmt. TOI-849b ist etwa 40mal so schwer wie die Erde, sein Radius beträgt aber nur 3,4 Erdradien.» Der Planet habe also eine hohe Dichte und müsse somit primär aus Eisen, Gestein und Wasser bestehen, aber aus nur sehr wenig Wasserstoff und Helium. «Für einen so massereichen Planeten ist eine so hohe Dichte, respektive ein so kleiner Anteil an Wasserstoff und Helium sehr erstaunlich. Bei einer solchen Masse würde man nämlich erwarten, dass der Planet während seiner Entstehung in der protoplanetaren Scheibe viel Wasserstoff und Helium angezogen hat.»

David Armstrong ergänzt: «Die Tatsache, dass diese Gase nicht vorhanden sind, lässt darauf schließen, dass es sich bei TOI 849 b um einen exponierten Planetenkern handelt.» Es ist das erste Mal, dass ein intakter, freiliegender Kern eines Gasriesen um einen Stern entdeckt wurde.

Weltweit gefragte Berner Expertise
An der Universität Bern wird seit 2003 das «Berner Modell der Entstehung und Entwicklung von Planeten» laufend weiterentwickelt. Christoph Mordasini sagt: «Wir kombinieren in unserem Modell Erkenntnisse zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen.» Dank dem weltweit renommierten Berner Modell können Entdeckungen wie die des Exoplaneten TOI 849 b theoretisch interpretiert werden.

Universität Bern

Bild vergrößernMöglicher Entwicklungspfad von TOI-849b: Die rote Linie zeigt den Entwicklungspfad eines simulierten Planeten der schlussendlich dem beobachteten Planeten TOI-849b gleicht. Der Pfad ist in der Ebene von großer Halbachse, d.h., Abstand zum Stern in Astronomischen Einheiten (AE) auf der x-Achse und Radius des Planeten in Jupiterradien auf der y-Achse gezeigt. Die anderen blau-roten Punkte zeigen andere Planeten die vom Berner Modell für 1000 sonnenartige Sterne vorhergesagt werden. Die Erde und Jupiter sind zum Vergleich an ihren Orten eingezeichnet. Der Planet entsteht ursprünglich bei der Anfangszeit t=0 Jahre als kleines planetares Embryo bei etwa 6 AE. Er wächst im Verlauf der folgenden 1 Million Jahre und wird dadurch größer. In dieser Phase ist der Radius des Protoplaneten enorm groß, da er noch in seinem Geburtsnebel eingebettet ist. Mit zunehmender Größe beginnt der Protoplanet auch nach innen in Richtung Stern zu wandern (orbital Migration). Dadurch verkleinert sich der Radius wieder. Nach 3.5 Millionen Jahren kommt der Planet am Innenrand der Gasscheibe an. Dort kommt es zu einer enorm energetischen Kollision mit einem anderen Protoplaneten in seinem Planetensystem. Durch die im Einschlag freigesetzte enorme Wärme bläht sich die Gashülle des Planeten extrem auf, und wird abgestoßen. Dadurch reduziert sich der Radius wiederum stark und ein freigelegter Kern entsteht. Zuletzt bewegt sich der freigelegte Kern über Milliarden von Jahren langsam weiter auf seinen Stern zu. Die Ursache sind hier Gezeitenkräfte. Dabei hat der modellierte Planet Eigenschaften die denen von TOI-849b, der mit dem schwarz-gelben Symbol eingezeichnet ist, sehr gleichen. Am Ende, nach 9.5 Milliarden Jahren, fällt der Planet schlussendlich in seinen Mutterstern.
(Bild: Universität Bern)
Auf Basis des Berner Modells können zwei Theorien formuliert werden, die erklären, warum es sich bei TOI 849 b nicht um einen typischen Gasriesen handle, sondern um einen freiliegenden Planetenkern. «Die erste ist, dass der Exoplanet einst dem Jupiter ähnlich war, aber durch verschiedene Einflüsse fast das gesamte äußere Gas ‘verloren’ hat», so Christoph Mordasini. Dies könnte aufgrund von Gezeiten passiert sein, bei denen die Hülle des Planeten auseinandergerissen wird, weil der Planet extrem nahe an seinem Stern kreist, oder sogar wegen einer Kollision mit einem anderen Planeten. Die großflächige Verdampfung der Atmosphäre könnte ebenfalls eine Rolle spielen, kann aber nicht alleine für das gesamte «verlorene» Gas verantwortlich gemacht werden.

Alternativ könnte es sich bei TOI 849 b um einen «gescheiterten» Gasriesen handeln. «Nachdem sich der Kern einmal gebildet hatte, könnte etwas gänzlich anders gelaufen sein als normalerweise, und der Kern hat nie eine massive Atmosphäre gebildet wie sonst. Dies hätte geschehen können, wenn sich in der protoplanetaren Scheibe, aus der sich der Planet bildete, eine Lücke im Gas gebildet hätte wegen der gravitativen Interaktion mit dem Planeten, oder wenn das Material in der Scheibe gerade zu dem Zeitpunkt ausgegangen wäre, wo normalerweise die Gasakkretion folgt», so Mordasini.

David Armstrong sagt: «Unsere Entdeckung beweist, dass solche Planeten existieren und wir sie aufspüren können. Wir haben nun die Möglichkeit, den Kern eines Planeten auf eine Weise zu betrachten, die wir in unserem eigenen Sonnensystem nicht tun können.»

Wie TOI 849 b entdeckt und analysiert wurde
TOI 849 b wurde mit Hilfe des Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA gefunden, wobei die sogenannte Transitmethode verwendet wurde: Der Satellit misst die Helligkeit eines Sterns. Ein Abfall in den Messungen der Helligkeit zeigt an, dass ein Planet vor ihm vorbeigezogen ist.

Anschließend wurde TOI 849 b am La Silla-Observatorium der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile mit dem unter Schweizer Führung gebauten HARPS-Instrument analysiert. Dabei wird der Doppler-Effekt genutzt, um die Masse zu bestimmen. Dies geschieht indem das «Wackeln» des Muttersterns des Exoplaneten gemessen wird – kleine Bewegungen auf uns zu und von uns weg, die als winzige Verschiebungen im Lichtspektrum des Sterns registriert werden.

Mehr Informationen zu TESS bei der NASA
Mehr Informationen zu HARPS bei der ESO

«Bern Model of Planet Formation and Evolution»
Mit dem «Bern Model of Planet Formation and Evolution» können Aussagen gemacht werden, wie ein Planet entstanden ist und wie er sich entwickelt hat. Seit 2003 wird das Berner Modell an der Universität Bern laufend weiterentwickelt. Ins Modell fließen Erkenntnisse ein zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Submodelle zur Akkretion (Wachstum des Kerns eines Planeten) oder dazu, wie Planten gravitationsbedingt miteinander interagieren und sich gegenseitig beeinflussen sowie zu Prozessen in den protoplanetaren Scheiben, in denen Planeten entstehen. Mit dem Modell werden auch sogenannte Populationssynthesen erstellt, die aufzeigen, welche Planeten sich wie häufig unter bestimmten Rahmenbedingungen in einer protoplanetaren Scheibe entwickeln. Das weltweit renommierte Berner Modell wird ebenfalls herangezogen zur theoretischen Interpretation von Entdeckungen wie derjenigen des Exoplaneten TOI 849 b.

Angaben zur Publikation:
'A remnant planetary core in the hot-Neptune desert', David Armstrong et al.,01.07.2020, Nature
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2421-7
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2421-7

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