Quelle: Universität Wien.

Wien, 23. Dezember 2021 – Bei Beobachtungen in einer der sonnennächsten Sternentstehungsregionen entdeckte ein Team internationaler Astronom*innen die bisher größte Ansammlung freischwebender Planeten. Diese Himmelskörper kreisen um keinen Stern und sind wegen ihrer geringen Helligkeit enorm schwer zu finden. Die große Zahl der nun aufgespürten Planeten gibt Aufschluss über den Entstehungsprozess von Sternen und Planeten und stellt einen wichtigen Anhaltspunkt für künftige Forschungen dar. An der erstaunlichen Entdeckung war Núria Miret Roig vom Institut für Astrophysik der Universität Wien beteiligt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Astronomy veröffentlicht.

Einzelgänger-Planeten, kurz FFPs vom englischen free floating planets, geben der Wissenschaft seit langem Rätsel um ihre Entstehung auf. Hierbei kommen zwei Möglichkeiten in Frage: Sie entstehen entweder wie Sterne durch den Gravitationskollaps kleiner Gaswolken, oder sie bilden sich wie Planeten um Sterne, die dann jedoch von ihrem Sternsystem abgestreift werden. Bislang war es schwierig festzustellen, welcher Entstehungsmechanismus wahrscheinlicher ist, da eine große homogene Probe von FFPs fehlte. Um dieses Problem zu lösen, haben Núria Miret Roig und ihre Kolleg*innen die junge Upper Scorpius Assoziation ins Visier genommen, wo sie nach schwer fassbaren Planeten suchten. Bei Sternassoziationen handelt es sich um offene Sternhaufen, in denen die Sterne nicht mehr durch Gravitation aneinander gebunden sind.

„Es ist eine große Herausforderung, FFPs innerhalb eines Sternhaufens aufzuspüren, ähnlich der Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, erklärt Miret Roig. „Man braucht Augen, die empfindlich genug sind, um die ‚Nadeln‘ zu erkennen. Sterne sind relativ hell und leicht zu erkennen, während Planeten mehrere tausend Mal schwächer strahlen und nur mit Teleskopen mit großer Blende und empfindlichen Detektoren entdeckt werden können. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, die Planeten von der überwältigenden Anzahl von Feldsternen und Hintergrundgalaxien zu unterscheiden.“

Das Team kombinierte eine riesige Menge an Bildern aus öffentlichen, astronomischen Archiven mit neuen Weitfeldbeobachtungen, die mit den besten optischen Teleskopen der Welt aufgenommen wurden. Auf diese Weise konnten winzige Bewegungen, Farben und Helligkeiten von mehreren zehn Millionen Quellen gemessen werden. Um Sternassoziationen zu identifizieren, analysierte das Team zuerst Bewegungsmuster, da Objekte aus einer Assoziation aus der gleichen Gaswolke stammen und daher ähnliche Eigenbewegungen zeigen. Objekte, die nicht zu der Assoziation gehören, weisen hingegen zufällige Bewegungen auf. Nach der Identifikation anhand der Bewegungsmuster verfeinerte das Team die Auswahl anhand von Helligkeit und Farbe: zwei Merkmalen, die Planeten von Sternen und Galaxien unterscheiden.

Ein wichtiger Teil der für die Studie verwendeten Bilder stammt aus dem VISTA Star Formation Atlas (VISIONS), einem Projekt unter der Leitung von João Alves vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. Darin sind im nahen Infrarotbereich alle nahen Sternentstehungskomplexe abgebildet, die von der südlichen Hemisphäre aus erkennbar sind.

Insgesamt untersuchte das Team mehr als 80.000 Weitwinkelaufnahmen, die über einen Zeitraum von zwanzig Jahren entstanden sind. Gesamt sind das etwa 100 Terabyte an Information. Das Ergebnis: 170 bislang unbekannte FFPs, die alle zur Upper Scorpius Assoziation gehören. Dies ist die größte Stichprobe von FFPs in einer einzigen Sternassoziation, zudem verdoppelten die Funde die Gesamtzahl der bisher bekannten FFPs.

„Die große Anzahl der entdeckten FFPs deutet darauf hin, dass der dynamische Auswurf von Planetensystemen ein wichtiger Mechanismus für ihre Entstehung ist, da der Kollaps von Gaswolken nicht zu so vielen FFPs führen würde. Dieses Ergebnis lässt auf relativ kurze Entstehungszeiträume von Riesenplanetensystemen im Rahmen von etwa drei bis zehn Millionen Jahren schließen“, erklärt Miret Roig.

Hervé Bouy, Leiter des europäischen Projekts COSMIC-DANCE, in das die Studie eingebettet ist, betont, dass „die identifizierten FFPs hervorragende Ziele für Folgestudien sind, insbesondere für die Untersuchung von Planetenatmosphären ohne blendenden Wirtssterns. Darüber hinaus können wir das Vorhandensein von Gas und Staub um FFPs untersuchen, um ihren Entstehungsprozess zu beleuchten.“

Wenn der Anteil der FFPs im Upper Scorpius ähnlich hoch ist wie in anderen Sternentstehungsgebieten, könnte es mehrere Milliarden Einzelgänger-Planeten in der Größe des Jupiters geben, die in der Milchstraße ohne Wirtsstern unterwegs sind. Bei erdgroßen Planeten könnte die Zahl sogar noch größer sein, da diese häufiger vorkommen als massereiche Planeten.

Diese Forschung ist Teil des ERC Consolidator-Programms COSMIC-DANCE unter der Leitung von H. Bouy (Universität Bordeaux) und ist das wichtigste Ergebnis der Doktorarbeit von N. Miret Roig.
Diese Studie war dank der umfangreichen Nutzung von Daten von ESO, NOAJ, NOAO, ING, VISIONS und der ESA-Mission Gaia möglich.

Publikation in Nature Astronomy:
Núria Miret Roig (Universität Wien & Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux), Hervé Bouy, Sean N. Raymond, Javier Olivares, Phillip Galli (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux), Motohide Tamura (Department of Astronomy of the University of Tokyo & Astrobiology Center, National Institutes of Natural Sciences), Emmanuel Bertin (CNRS & Sorbonne Université, Institut d’Astrophysique de Paris), David Barrado and Nuria Huélamo (Centro de Astrobiología (CSIC-INTA)), Jean-Charles Cuillandre (AIM, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay), Luis Manuel Sarro (Depto. de Inteligencia Artificial, UNED), Angel Berihuete (Depto. Estad´ıstica e Investigación Operativa, Universidad de Cádiz): A rich population of free-floating planets in the Upper Scorpius young stellar association. In: Nature Astronomy, 2021.
DOI: 10.1038/s41550-021-01513-x

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• Freifliegende (Exo)Planeten / free-floating planets (FFP)

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Quelle: ESON.

22. Dezember 2021 – Einzelgänger-Planeten sind schwer fassbare kosmische Objekte. Sie haben eine Masse, die mit der von Planeten in unserem Sonnensystem vergleichbar ist, umkreisen aber keinen Stern, sondern bewegen sich frei im All. Bisher waren nicht viele bekannt, aber ein Team von Astronomen hat mit Hilfe von Daten mehrerer Teleskope der Europäischen Südsternwarte (ESO) und anderer Einrichtungen mindestens 70 neue Einzelgänger-Planeten in unserer Galaxie entdeckt. Dies ist die größte jemals entdeckte Gruppe vagabundierender Planeten und ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Ursprünge und Eigenschaften dieser geheimnisvollen galaktischen Nomaden.

„Wir wussten nicht, wie viele wir erwarten konnten, und sind begeistert, so viele gefunden zu haben“, sagt Núria Miret-Roig, Astronomin am Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Frankreich, und der Universität Wien, Österreich, und Erstautorin der neuen Studie, die heute in Nature Astronomy veröffentlicht wurde.

Planetare Einzelgänger, die sich weit entfernt von jedem Stern aufhalten, der sie beleuchtet, sind normalerweise nicht zu erkennen. Miret-Roig und ihr Team machten sich jedoch die Tatsache zunutze, dass diese Planeten wenige Millionen Jahre nach ihrer Entstehung noch heiß genug sind, um selbst zu glühen, so dass sie von den empfindlichen Kameras großer Teleskope direkt erkannt werden können. In einer Sternentstehungsregion in der Nähe unserer Sonne, in den Sternbildern Skorpion und Ophiuchus, fanden sie mindestens 70 neue Einzelgänger-Planeten mit Massen vergleichbar denen des Jupiters [1].

Um so viele Einzelgänger-Planeten aufzuspüren, nutzte das Team Daten aus rund 20 Jahren, die von einer Reihe von Teleskopen am Boden und im Weltraum stammen. „Wir haben die winzigen Bewegungen, die Farben und die Helligkeit von Dutzenden Millionen von Quellen in einem großen Bereich des Himmels gemessen“, erklärt Miret-Roig. „Diese Messungen ermöglichten es uns, die schwächsten Objekte in dieser Region, diese vagabundierenden Planeten, sicher zu identifizieren.“

Das Team nutzte Beobachtungen des Very Large Telescope (VLT) der ESO, des Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA), des VLT Survey Telescope (VST) und des 2,2-Meter-Teleskops des MPG/ESO in Chile sowie anderer Einrichtungen. „Die überwiegende Mehrheit unserer Daten stammt von ESO-Observatorien, die für diese Studie absolut entscheidend waren. Ihr weites Gesichtsfeld und ihre einzigartige Empfindlichkeit waren der Schlüssel zu unserem Erfolg“, erklärt Hervé Bouy, Astronom am Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Frankreich, und Projektleiter der neuen Untersuchung. „Wir haben Zehntausende von Weitwinkelaufnahmen von ESO-Einrichtungen verwendet, was Hunderten von Stunden an Beobachtungen und buchstäblich Dutzenden von Terabytes an Daten entspricht.“

Das Team verwendete auch Daten des Gaia-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation, was einen großen Erfolg für die Zusammenarbeit von boden- und weltraumgestützten Teleskopen bei der Erforschung und dem Verständnis unseres Universums darstellt.

Die Studie legt nahe, dass es noch viele weitere dieser schwer fassbaren, sternlosen Planeten geben könnte, die wir noch nicht entdeckt haben. „Es könnte mehrere Milliarden dieser frei schwebenden Riesenplaneten geben, die ohne einen Mutterstern in der Milchstraße umherziehen“, erklärt Bouy.

Durch die Untersuchung der neu entdeckten Einzelgänger-Planeten könnten Astronominnen und Astronomen Hinweise darauf finden, wie diese mysteriösen Objekte entstehen. Einige Forschende gehen davon aus, dass sich diese Planeten durch den Kollaps einer Gaswolke bilden, die zu klein ist, um zur Bildung eines Sterns zu führen, oder dass sie aus ihrem Muttersystem herausgeschleudert worden sind. Welcher Mechanismus jedoch wahrscheinlicher ist, bleibt derzeit ungeklärt.

Weitere technologische Fortschritte werden der Schlüssel sein, um das Geheimnis dieser Nomadenplaneten zu lüften. Das Team hofft, sie mit dem geplanten Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in der chilenischen Atacama-Wüste gebaut wird und noch in diesem Jahrzehnt mit den Beobachtungen beginnen soll, noch genauer untersuchen zu können. „Diese Objekte sind extrem lichtschwach und können mit den derzeitigen Einrichtungen kaum untersucht werden“, erklärt Bouy. „Das ELT wird absolut entscheidend sein, um mehr Informationen über die meisten der von uns entdeckten Einzelgänger-Planeten zu sammeln.“

Endnoten
[1] Die genaue Anzahl der vom Team entdeckten Einzelgänger-Planeten ist schwer zu bestimmen, da die Beobachtungen es den Forschern nicht erlauben, die Massen der untersuchten Objekte zu messen. Objekte mit einer Masse von mehr als dem 13-fachen der Jupitermasse sind höchstwahrscheinlich keine Planeten und können daher bei der Zählung nicht berücksichtigt werden. Da das Team jedoch keine Werte für die Masse hatte, musste es sich auf die Untersuchung der Helligkeit der Planeten verlassen, um eine Obergrenze für die Anzahl der beobachteten vagabundierenden Planeten festzulegen. Die Helligkeit hängt wiederum mit dem Alter der Planeten selbst zusammen, denn je älter ein Planet ist, desto länger hat er sich abgekühlt und seine Helligkeit verringert. Wenn die untersuchte Region alt ist, dann liegen die hellsten Objekte in der Stichprobe wahrscheinlich über 13 Jupitermassen, und darunter, wenn die Region jünger ist. Angesichts der Ungewissheit über das Alter der untersuchten Region ergibt diese Methode eine Anzahl von Einzelgänger-Planeten zwischen 70 und 170.

Weitere Informationen
Diese Studie wurde in dem Artikel „A rich population of free-floating planets in the Upper Scorpius young stellar association“ vorgestellt, der in Nature Astronomy (DOI: 10.1038/s41550-021-01513-x) erscheint. Sie wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 682903, P.I. H. Bouy) und vom französischen Staat im Rahmen des Programms „Investitionen für die Zukunft“, IdEx Bordeaux, Referenz ANR-10-IDEX-03-02, gefördert.

Das Team besteht aus Núria Miret-Roig (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS, Frankreich [LAB]; Universität Wien, Abteilung für Astrophysik, Österreich), Hervé Bouy (LAB), Sean N. Raymond (LAB), Motohide Tamura (Department of Astronomy, Graduate School of Science, The University of Tokyo, Japan; Astrobiology Center, National Institutes of Natural Sciences, Tokyo, Japan [ABC-NINS]), Emmanuel Bertin (CNRS, UMR 7095, Institut d’Astrophysique de Paris, Frankreich [IAP]; Sorbonne Université, IAP, Frankreich) David Barrado (Centro de Astrobiología [CSIC-INTA], Depto. de Astrofísica, ESAC Campus, Spanien), Javier Olivares (LAB), Phillip Galli (LAB), Jean-Charles Cuillandre (AIM, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, Université de Paris, Frankreich), Luis Manuel Sarro (Depto. de Inteligencia Artificial, UNED, Spanien), Angel Berihuete (Depto. Estadística e Investigación Operativa, Universidad de Cádiz, Spanien) und Nuria Huélamo (CSIC-INTA).

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope für sichtbares Licht. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Fachartikel
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2120/eso2120a_en.pdf

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• Freifliegende (Exo)Planeten / free-floating planets (FFP)

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Quelle: Excellence Cluster ORIGINS.

Monde sternenloser Planeten können eine Atmosphäre haben und flüssiges Wasser speichern. Münchner Astrophysiker haben berechnet, dass die Wassermenge ausreicht, um Leben auf diesen wandernden Mond-Planeten-Systemen zu ermöglichen und zu erhalten.

Wasser ist ein Lebenselixier. Aus ihm entstand auf der Erde Leben und gleichzeitig erhält es das Leben aufrecht. Daher suchen Wissenschaftler nach anderen Wasservorkommen im Universum. Jenseits der Erde konnte allerdings die Existenz von Flüssigwasser noch nicht direkt belegt werden. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass einige Monde in unserem äußeren Sonnensystem unter ihrer Oberfläche Ozeane aus flüssigem Wasser beherbergen könnten. Dazu gehören beispielsweise der Saturnmond Enceladus und die Jupitermonde Ganymed, Kallisto und Europa – wie sieht es aber mit Wasservorkommen auf Monden außerhalb unseres Sonnensystems aus?

Die Physiker des Exzellenzclusters ORIGINS, Prof. Barbara Ercolano und Dr. Tommaso Grassi von der LMU München, untersuchten daher in Kooperation mit der University of Concepsion in Chile mit mathematischen Methoden, ob sich Wasser auf einem Mond bilden kann, der einen freischwebenden Planeten (FFP) umkreist. Ein FFP (free-floating planet) bezeichnet einen Planeten, der von einem Stern losgelöst ist und in der Galaxie umherwandert.

Mehr als 100 Milliarden nomadenhafte Planeten
Und von diesen FFPs gibt es viele. Konservative Schätzungen legen nahe, dass es in der Milchstraße mindestens einen sternenlosen Planeten von der Größe des Jupiters pro Stern geben könnte. Bei weit über 100 Milliarden Sternen in unserer Galaxie wandern demnach weit mehr als 100 Milliarden solcher Planeten umher.

Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, dass die Wassermenge auf einem erdgroßen Mond rund ein zehntausendstel kleiner ist als in den Ozeanen der Erde, aber hundertfach so groß ist wie die Menge an Wasser in der Erdatmosphäre. Diese Menge an Wasser reicht aus um das Leben zu ermöglichen und zu erhalten.

Das Modell für die Berechnungen der Wissenschaftler besteht aus einem erdgroßen Mond, der um einen jupitergroßen Planeten kreist. Diese umherwandernden Mond-Planetensysteme leben quasi „in der Dunkelheit“, da sie weit von relevanten stellaren Objekten entfernt sind. Als „chemischer Antrieb“ und als Wärmequelle kann daher keine Sonne dienen, wie es bei unserer Erde der Fall ist.

Kosmische Strahlung und Gezeitenkräfte übernehmen das Ruder
Vielmehr übernimmt in dem Modell der Forscher die kosmische Strahlung den chemischen Antrieb, der notwendig ist, um molekularen Wasserstoff und Kohlendioxid in Wasser und andere Produkte umzuwandeln. Als Wärmequelle fungieren die Gezeitenkräfte, die der Planet auf den Mond ausübt. Sie erzeugen genügend Energie, um das Wasser in flüssiger Struktur zu erhalten. Die zu 90 Prozent aus Kohlendioxid bestehende Atmosphäre speichert mit Hilfe des Treibhauseffekts einen Großteil der Wärme auf dem Mond.

Originalpublikation:
Presence of water on exomoons orbiting free-floating planets: a case study. In: International Journal of Astrobiology, 8. Juni 2021.

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• Die Suche nach Exomonden

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