Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, Hubble Space Telescope, Exoplanet.eu. Vertont von Peter Rittinger

Als Exoplaneten werden in der Astronomie Planeten bezeichnet, welche nicht dem Planetensystem der Sonne angehören, sondern die vielmehr fremde Sterne umkreisen. Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten am 5. Oktober 1995 gelang den Astronomen der Nachweis von bisher 1.932 Exoplaneten. Bei einem dieser Objekte handelt es sich um den Exoplaneten Gliese 436b.

Der Exoplanet Gliese 436b
Entdeckt wurde GJ 436b – so eine andere Bezeichnung für diesen Planeten – bereits im Jahr 2004 durch die US-amerikanischen Astronomen Geoffrey Marcy und Robert Paul Butler, welche hierfür die Radialgeschwindigkeitsmethode anwendeten. Nachfolgende Analysen ergaben, dass GJ 436b seinen in einer Entfernung von etwa 30 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Löwe (lat. „Leo“) befindlichen Zentralstern, den Roten Zwerg Gliese 436, in einem Abstand von lediglich etwa 4,3 Millionen Kilometern umläuft. Für eine vollständige Umrundung des Sterns benötigt der Exoplanet dabei eine Zeitspanne von zwei Tagen, 15 Stunden und 27 Minuten.

Des weiteren konnte mit dem Weltraumteleskop Spitzer im Rahmen eines Transitereignisses ermittelt werden, dass dieser Planet über einen Durchmesser von etwa 54.000 Kilometern verfügt. Seine Masse wird mit einem Wert angegeben, welcher 22 Erdmassen entspricht. Es dürfte sich bei diesem Planeten somit um einen Vertreter aus der Exoplaneten-Kategorie der „Hot Neptunes handeln.

Durch weitere Untersuchungen konnte in den vergangenen Jahren zudem ermittelt werden, dass Gliese 436b offenbar über große Mengen an Wasser verfügt, welches hoch über der Oberfläche des Planeten Wolken aus Wasserdampf bildet. Dagegen scheint in der Atmosphäre dieses Exoplaneten ein ausgeprägter Methanmangel zu herrschen (Raumfahrer.net berichtete jeweils).

Der Zentralstern des Exoplaneten Gliese 436b verfügt über 40 Prozent der Sonnenmasse und erreicht lediglich rund 2,5 Prozent der Leuchtkraft des Zentralgestirns unseres Sonnensystems. Aufgrund des geringen Abstands zu seinem Stern wird GJ 436b aber dennoch so stark aufgeheizt, dass in dessen Atmosphäre Temperaturen von mehr als 500 Grad Celsius erreicht werden.

Neue Untersuchungen
Die Tatsache, dass es sich bei Gliese 436b um einen Transitplaneten handelt, der von der Erde aus betrachtet regelmäßig vor seinem Zentralstern vorbeizieht und dabei das von dem Stern ausgehende Licht ‚abdimmt‘, erleichtert dessen weitere Untersuchung ungemein. Für eine entsprechende Untersuchung von Gliese 436b setzte ein von David Ehrenreich vom Observatoire de l’Université de Genève/Schweiz geleitetes Astronomenteam jetzt auch zum wiederholten Mal das Weltraumteleskop Hubble ein.

Für einen Vorbeizug vor seinem Stern benötigt der Exoplanet GJ 436b einen Zeitraum von etwa einer Stunde. Pünktlich zum Beginn und zum Ende dieses Transits sollten sich – so die Theorie – eigentlich scharf umrissene Veränderungen in der Helligkeit des Sterns registrieren lassen. Dies deckt sich auch mit den im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts gewonnenen Messergebnissen, wo im Zeitraum des Transits ein deutlich abgegrenzter Helligkeitsabfall von 0,7 Prozent registriert wird.

Ein kometenartiger Schweif
Allerdings stellten die Astronomen bei der Auswertung der entsprechenden Daten des Hubble Space Telescopes fest, dass im Bereich des ultravioletten Lichtspektrums bereits etwa zwei Stunden vor dem Beginn des eigentlichen Planetentransits ein deutlich erkennbares Absinken der Helligkeit des Zentralsterns zu beobachten ist. Bis zum Höhepunkt der jeweiligen Verfinsterungen sinkt die Helligkeit des Sterns dann auf einen Wert von nur noch 44 Prozent des Normalwertes ab. Und auch nach dem Ende des Transits ist die Helligkeit von GJ 436 noch für mehr als drei Stunden deutlich messbar reduziert.

Zwecks der Erklärung dieses Phänomens schlagen die an den Untersuchungen beteiligten Wissenschaftler folgenden Lösungsansatz vor: Die von Wasserstoffgas dominierte Atmosphäre des Exoplaneten Gliese 436b wird durch die Strahlung des Zentralstern so weit aufgeheizt, dass ein Teil der Planetenatmosphäre in das umgebende Weltall entweicht und dort zunächst eine ausgedehnte Gashülle ausbildet, welche das von dem Stern ausgehende ultraviolette Licht zu einem Großteil absorbiert.

Der Zentralstern verfügt jedoch über zu schwache Sternwinde, um diese aus der Planetenatmosphäre entweichenden Gase vollständig ‚wegzublasen‘. Aufgrund der Bewegung des Planeten um seinen Stern nimmt ein Teil dieser ‚Wasserstoffwolke‘ dabei die Form eines Schweifs an und ‚folgt‘ dem Planeten auf dessen Umlaufbahn um den Stern.

Dieser Schweif verfügt dabei laut der Beobachtungsdaten des Hubble Space Telescopes über eine Länge, welche etwa dem 50fachen Durchmesser des Zentralsterns entspricht. Sehr entfernt erinnert dieses Szenario an das Aussehen eines Kometen, welcher in Sonnennähe über eine Koma und einen Schweif verfügt.

Aufgrund der Ausdehnung der Gashülle und der Länge des Schweifs vermuten die Astronomen um David Ehrenreich, dass der Exoplanet pro Sekunde rund 100 bis 1.000 Tonnen Wasserstoff an seine Umgebung abgibt. Dies ist eine im Vergleich zu der Gesamtmasse von GJ 436b allerdings immer noch äußerst geringe Menge. Selbst über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren, so die an der Untersuchung beteiligten Wissenschaftler, würde dies nicht ausreichen, um die Atmosphäre des Exoplaneten signifikant auszudünnen.

„Diese Wolke aus Wasserdampf ist schon sehr spektakulär“, so David Ehrenreich. „Aber auch wenn die derzeitige Freisetzungsrate keine Gefahr für die Planetenatmosphäre darstellt, so wissen wir doch, dass der Stern in der Vergangenheit stärker aktiv war. Dies hatte zur Folge, dass die Atmosphäre des Planeten während der ersten Jahrmilliarden Jahre seines Bestehens schneller als gegenwärtig der Fall verdampft sein muss. Insgesamt schätzen wir, dass der Planet bisher lediglich etwa 10 Prozent seiner Atmosphäre verloren hat.“ Das Alter des Sternsystems Gliese 436 und des dort befindlichen Exoplaneten wird auf mindestens sechs Milliarden Jahre geschätzt.

Ähnliche Beobachtungen eines ‚kometenartigen‘ Schweifs in der Umgebung von Exoplaneten erfolgten bereits in der Vergangenheit bei weiteren vier Exoplaneten (Raumfahrer.net berichtete über die entsprechende Entdeckung bei dem Planeten HD 209458 b). Allerdings wurden diese Strukturen bisher nur in der Umgebung von Exoplaneten beobachtet, welche deutlich massereicher als der Planet Gliese 436b ausfallen. Zugleich wiesen diese bei den Planeten HD 209458b, WASP-12b, 55 Cancri b und HD 189733b nachgewiesenen Schweife deutlich geringere Ausdehnungen auf. All diese Nachweise erfolgten dabei bisher ausschließlich im Bereich des ultravioletten Spektralbereichs des Lichts.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Arbeit von David Ehrenreich et al. wurden am 25. Juni 2015 unter dem Titel „A giant comet-like cloud of hydrogen escaping the warm Neptune-mass exoplanet GJ 436b“ in der Fachzeitschrift Nature publiziert.

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Fachartikel von David Ehrenreich et al.:

• A giant comet-like cloud of hydrogen escaping the warm Neptune-mass exoplanet GJ 436b (Publikation in Nature, engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, NASA Science, UCLA, HST.

Eigentlich, so sollte man denken, ist die Unterscheidung zwischen Kometen und Asteroiden eine recht einfache Angelegenheit…
Asteroiden sind relativ unveränderliche Objekte, welche die Sonne auf lediglich leicht exzentrischen Keplerbahnen umkreisen. Der Großteil der Asteroiden bewegt sich dabei in dem zwischen den Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter angesiedelten Asteroidengürtel um das Zentralgestirn unseres Sonnensystems. Da die Asteroiden bereits vor Milliarden von Jahren unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung ihre leichtflüchtigen Bestandteile wie zum Beispiel Wassereis verloren haben, verändert sich das Erscheinungsbild dieser Objekte im Laufe der Zeit nur noch geringfügig. Zwar können durch Kollisionen mit kleineren Objekten gelegentlich weitere Impaktkrater auf deren Oberflächen erzeugt werden – grundlegende Veränderungen sind jedoch normalerweise nicht mehr zu erwarten.

Bei den Kometen handelt es sich dagegen um Objekte, welche die Sonne in der Regel auf stark elliptischen Umlaufbahnen umkreisen. Bei der Annäherung an die Sonne wird die Oberfläche dieser Himmelskörper so stark erwärmt, dass dort abgelagerte leichtflüchtige Stoffe wie gefrorenes Wassereis oder Kohlenstoffdioxid (Trockeneis) verdampfen und bei dem anschließenden Entweichen von der Oberfläche Staub und kleinere Gesteinspartikel mit sich reißen. Im Rahmen dieses Prozesses bilden Kometen nach dem Erreichen des inneren Sonnensystems zunächst eine aus Gas und Staub bestehende Koma aus, welche bei einer noch größeren Annäherung an die Sonne durch den Strahlungsdruck der Sonne und durch Sonnenwinde in Form eines Kometenschweifs vom Kern des Kometen „weggeweht“ wird.

Allerdings befinden sich in unserem Sonnensystem einige Himmelskörper, welche diese „Ordnung“ gehörig durcheinanderbringen können. Erstmals geriet diese relativ einfache Sicht der Dinge im Jahr 1996 ins Wanken. In den damals angefertigten Aufnahmen des Hauptgürtel-Asteroiden (7968) Elst-Pizarro, welcher seitdem auch als der Komet 133P/Elst-Pizarro bezeichnet wird, war ein deutlich ausgeprägter Schweif erkennbar.

Unter den professionellen Astronomen und Planetologen herrschte eine verständliche Verwirrung über den Charakter dieses Objektes. Hatte man jetzt einen im Asteroidengürtel beheimateten Kometen entdeckt? Oder vielleicht doch eher einen Asteroiden, der von seiner Oberfläche Gas und Staub in das umgebende Weltall freigibt? Die genaue Zuordnung dieser astronomischen Zwitter, von denen bisher kaum mehr als zehn bekannt sind, fällt der Fachwelt bis heute schwer. Diese „Verwirrung“ wird auch im allgemeinen wissenschaftlichen Sprachgebrauch deutlich. Die Wissenschaftler sprechen sowohl von „aktiven Asteroiden“ als auch von „Hauptgürtel-Kometen“.

P/2013 P5
Erst vor wenigen Monaten wurde im Rahmen der Himmelsdurchmusterung durch das Pan-STARRS-Projekt mit P/2013 P5 ein weiteres Objekt entdeckt, welches den Astronomen seitdem Rätsel aufgab. Auf den Erstaufnahmen war P/2013 P5 mit einem deutlich erkennbaren Schweif ausgestattet und erschien deshalb auf den ersten Blick zunächst wie ein aktiver Komet, welcher sich in Sonnennähe befindet. Nähere Analysen der Bahnparameter haben jedoch ergeben, dass sich die Umlaufbahn dieses Objektes komplett innerhalb des Asteroidengürtels befindet. Somit ließ sich P/2013 P5 weder den Kometen noch den Asteroiden zweifelsfrei zuordnen.

Ein von Dr. David Jewitt von der University of California/USA geleitetes internationales Wissenschaftler-Team, dem auch Forscher des in Katlenburg-Lindau beheimateten Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) angehören, hat dieses rätselhafte Objekt jetzt mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops (kurz „HST“) eingehender untersucht. Zu diesem Zeitpunkt befand sich P/2013 P5 in einer Entfernung von rund 165 Millionen Kilometern zur Erde und 315 Millionen Kilometern zur Sonne. Auf den am 10. und am 23. September 2013 angefertigten HST-Aufnahmen konnten die Wissenschaftler nicht nur einen, sondern insgesamt vielmehr sechs Schweife ausmachen, welche das beobachtete Objekt wie die Speichen eines Wagenrads umgeben.
„Allein diese Anzahl spricht dagegen, dass die Schweife auf Kollisionen oder Einschläge zurückzuführen sind“, so Dr. Jessica Agarwal vom MPS. Sechs Impakte auf einem einzelnen Objekt innerhalb so kurzer Zeit seien doch eher unwahrscheinlich. Auch eine Sublimation von Eis, was auf einen Kometen hindeuten würde, kann so gut wie ausgeschlossen werden, da sich P/2013 P5 am inneren Rand des Asteroidengürtels und somit in großer Sonnennähe bewegt. Eisablagerungen dürften deshalb bereits vor langer Zeit von der Oberfläche entwichen sein.

Vielmehr gehen die Wissenschaftler nach der Auswertung ihrer Daten davon aus, dass es sich bei P/2013 P5 um einen Asteroiden handelt, der sich unter dem von der Sonne ausgehenden Strahlungsdruck so schnell um seine Rotationsachse dreht, dass er Material ins All verliert. Da das Sonnenlicht unter verschiedenen Winkeln auf die zerklüftete Oberfläche des Asteroiden trifft, kann sich in der Gesamtsumme ein Gesamtdrehmoment ergeben, welches dessen Rotation mehr und mehr beschleunigt. Irgendwann wird dadurch die Fliehkraft am Äquator stärker als die geringe Schwerkraft des mit einem Durchmesser von etwa 480 Metern relativ kleinen und somit massearmen Körpers. Aufgrund dieser Kraftverhältnisse wird schließlich Material von der Asteroidenoberfläche „fortgeschleudert“.

„Zwischen den Beobachtungen [durch das Hubble-Weltraumteleskops] lagen 13 Tage. In dieser Zeit hatte sich unser Forschungsobjekt stark verändert“, so Dr. Jessica Agarwal. Während ein Schweif fast unverändert geblieben war, hatte ein zweiter deutlich an Länge und Leuchtkraft zugenommen. Alle anderen waren dagegen mehr oder weniger verblasst.

In Computersimulationen gelang es dem Team, genau diese Veränderungen im Detail zu rekonstruieren. Dafür berechneten die Wissenschaftler die Bahnen vieler hypothetischer Staubteilchen verschiedener Größe und verschiedenen Alters und verglichen deren Positionen mit denen der beobachteten Schweife. Im Rahmen dieser Arbeiten gelangten die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass sich die sechs beobachteten Schweife erst kürzlich – nämlich in etwa am 15. April, am 18. Juli, 24. Juli, 8. August, 26. August und am 4. September 2013 – gebildet haben müssen.

„Unsere Rechnung und die tatsächlichen Beobachtungen stimmen sehr gut überein“, so Dr. Jessica Agarwal, die für diese Berechnungen zuständig war. „Besonders ermutigend ist, dass wir die zeitliche Entwicklung zwischen den beiden Beobachtungstagen gut wiedergeben können.“

Der jüngste Schweif entwickelte sich demzufolge erst wenige Tage vor der ersten HST-Aufnahme. Er konnte in den folgenden Tagen deshalb an Helligkeit zulegen, während alle anderen – je nach der Partikelgröße der darin enthaltenen Staubteilchen – nach und nach verblassten.
Insgesamt zeigt sich durch diese Arbeit, dass auch die im Inneren unseres Sonnesystems beherbergten Kleinkörper noch weiter und ausführlicher untersucht werden müssen. Erst durch das eingehende Studium dieser Objekte lassen sich in Zukunft belastbare Aussagen darüber tätigen, auf welche Weise und unter welchen Bedingungen sich vor über 4,5 Milliarden Jahren unser Sonnensystem bildete.

„Vieles spricht dafür, dass die so genannten aktiven Asteroiden keine einheitliche Gruppe bilden“, so Dr. Jessica Agarwal. Von der Oberfläche einiger Vertreter sublimiert vermutlich Eis. Dieses stammt wahrscheinlich aus dem tiefen Inneren dieser Objekte und wurde möglicherweise durch teilweise heftig verlaufende Kollisionen mit anderen Himmelskörpern freigelegt. Bei anderen aktiven Asteroiden haben Zusammenstöße eine Fontäne aus Staub erzeugt, die noch monatelang als Schweif sichtbar war. „Bei den meisten dieser Körper ist jedoch der Ursprung des Schweifs völlig unklar“, so Agarwal.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 7. November 2013 unter dem Titel „The Extraordinary Multi-Tailed Main-Belt Comet P/2013 P5“ in der Fachzeitschrift „Astropysical Journal Letters“ publiziert.

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• Erdnahe Asteroiden (NEOs)
• Kometen

Fachartikel von David Jewitt et al:

• The Extraordinary Multi-Tailed Main-Belt Comet P/2013 P5 (engl.)

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Schon seit längerem wird vermutet, dass es sich bei etwa fünf Prozent der derzeit etwa 10.000 bekannten erdnahen Objekte (engl. „Near Earth Objects, kurz „NEOs“), nicht um ursprüngliche Asteroiden, sondern vielmehr um die mittlerweile inaktiven Kerne von Kometen handelt. Der vielversprechendste Kandidat für einen solchen „erloschenen“ Kometen ist der am 26. September 1983 entdeckte Asteroid (3552) Don Quixote, welcher sich nicht nur auf einer für einen kurzperiodischen Kometen typischen Umlaufbahn um die Sonne bewegt, sondern der auch eine für einen Kometenkern typische niedrige Albedo von lediglich 0,03 aufweist. Mit einem Durchmesser von durchschnittlich etwa 18,7 Kilometern wird (3552) Don Quixote als der drittgrößte derzeit bekannte erdnahe Asteroid geführt.

Am 22. August 2009 – und somit lediglich 18 Tage vor seiner dichtesten Annäherung an die Sonne während seines Umlaufs um das Zentralgestirn unseres Sonnensystems – wurde (3552) Don Quixote im Rahmen des „ExploreNEOs-Programms“ mehrfach mit der Infrared Array Camera (IRAC) der Weltraumteleskops Spitzer in den Wellenlängenbereichen bei 3,6 und 4,5 Mikrometern abgebildet. Eine erste Auswertung der angefertigten Aufnahmen zeigte, dass der Asteroid auf einigen der Bilder deutlich heller erschien als eigentlich erwartet.

Die Aufnahmen fanden zunächst keine weitere Beachtung. Erst bei einer später erfolgenden eingehenden Begutachtung offenbarten sich unerwartete Einzelheiten: Die im Bereich von 4,5 Mikrometern angefertigten Bilder zeigten, dass der Asteroid anscheinend von einer „Wolke“ umgeben war. Im Bereich von 3,6 Mikrometern war diese Struktur dagegen nicht erkennbar.

Durch verschiedene sorgfältige Überprüfungen ihrer Daten konnten die an der Auswertung der Aufnahmen beteiligten Wissenschaftler schließlich sicherstellen, dass es sich bei der beobachteten Struktur nicht etwa um einen Abbildungsfehler der IRAC-Kamera, um Bildartefakte oder um die Einflüsse von Streulicht handelt, welches von einem nahe gelegenen Hintergrundstern ausgeht.

Nach dem Ausschluss dieser potentiellen Fehlerquellen und weiteren Überprüfungen sind sich die Wissenschaftler sicher, dass es sich hier vielmehr um eine Struktur handelt, welche wirklich in einem direkten Zusammenhang mit dem Objekt (3552) Don Quixote steht. Aller Wahrscheinlichkeit nach handelt es sich um die Emissionen von Kohlendioxid, welches aufgrund der Sonnennähe und der damit verbundenen erhöhten Umgebungstemperaturen zum Beobachtungszeitpunkt von Don Quixote freigesetzt wurde. Das freigesetzte Kohlendioxid bildete dabei eine schwache Koma und sogar einen kaum erkennbaren Schweif aus. Gestützt wird diese Vermutung dadurch, dass die Emissionen des Kohlendioxids lediglich im Wellenlängenbereich von 4,5 Mikrometern nachgewiesen werden konnten.

Die würde bedeuten, dass es sich bei dem bisher als Asteroid klassifizierten Objekt (3552) Don Quixote nicht etwa um einen mittlerweile inaktiven, sondern vielmehr um einen immer noch – wenn auch nur schwach – aktiven Kometen handelt. Laut der Einschätzung der beteiligten Wissenschaftler müsste der Himmelskörper demzufolge über beträchtliche Mengen an Kohlendioxidablagerungen und sehr wahrscheinlich auch Wassereis verfügen.

„Diese Entdeckung konnte nur mit dem empfindlichen Infrarot-Teleskop Spitzer erreicht werden. Teleskope auf der Erde reichen dafür nicht aus“, so Michael Mommert von der Northern Arizona University (NAU), welcher die entsprechende Forschungsarbeit als Doktorand am Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchführte.

Ähnlich wie Don Quixote könnten auch weitere vermeintlich tote erdnahe Kometen noch Kohlendioxid und Wassereis mit sich tragen. „Mit den Beobachtungen im Infrarotbereich wissen wir jetzt, dass es sich lohnt, weitere Objekte im Weltraum mit dieser Methode zu untersuchen“, so der Asteroidenforscher Prof. Alan Harris vom DLR, der ebenfalls an dieser Studie beteiligt war.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurde am heutigen Tag auf dem European Planetary Science Congress 2013, einer gegenwärtig in London stattfindenden Fachtagung der Planetenforscher, vorgestellt.

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EPSC 2013:

• Cometary Activity in Near-Earth Asteroid (3552) Don Quixote (engl.)

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