Quelle: Universität Bern.

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.

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.

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.

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Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: Universität Münster, weltderphysik.de.

Die untersuchten Eisenmeteoriten sind Bruchstücke von Kernen so genannter Planetesimale. Als Planetesimale bezeichnen die Astronomen und Geologen Vorläufer und Bausteine von Planeten, die sich aus Staubteilchen bilden, die in einer sehr frühen Stufe der Entstehung von Planetensystemen einen neu entstandenen Stern umkreisen. Die Staubteilchen lagern sich aneinander und bilden so nach und nach immer größere Körper. Ab etwa einem Kilometer Größe werden diese Körper als Planetesimale bezeichnet. Bei dieser Größe kommt es bereits zu einer Differenzierung der Stoffe durch deren spezifisches Gewicht. Schwere Metalle sinken in den Kern ab, leichtere Stoffe bleiben an der Oberfläche und bilden eine Art Kruste. Aus den Kernbereichen stammen die Eisenmeteoriten, die die Wissenschaftler untersucht haben.

Die Gruppe hat das Vorkommen von Wolframisotopen in den Meteoriten ermittelt. Dies ist früher schon gemacht worden, allerdings hatte man dabei immer Probleme mit der kosmischen Strahlung, die das Ergebnis jeweils verfälschte. Den Wissenschaftlern um Thomas Kruijer von der Universität in Münster haben es nun geschafft, die Verfälschung zu quantifizieren und aus den Ergebnissen heraus zu rechnen. So konnten sie zeigen, dass sich die Planetenkerne schneller und früher gebildet haben, als bisher angenommen wurde. Schon 100000 bis 300000 Jahre nach der Kondensation der ersten festen Stoffe haben sich die Mutterkörper der Eisenmeteorite gebildet. Allerdings dauerte es dann noch mal etwa zwei Millionen Jahre, bis sich die Mutterkörper soweit differenziert hatten, dass sich Eisenkerne ausbilden konnten. Der Grund: Die Mutterkörper waren zunächst zu kalt. Sie mussten sich erst erhitzen und aufschmelzen, damit in der Schmelze die schweren Metalle nach unten sinken und die Kerne bilden konnten.

Der weitere Prozess der Planetenbildung dauerte dann noch einmal etwa 100 Millionen Jahre. Dabei haben sich die Planeten der Theorie zufolge aus vielen Planetesimalen zusammengefügt.

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: SpaceFlightNow.

„Für Theoretiker ist diese Entdeckung eines Planeten mit einem solch stabilen Kern genauso wichtig wie die Entdeckung des ersten Extrasolaren Planeten im Jahre 1995“, sagt Shigeru Ida, ein Theoretiker aus Tokio. Als ein internationales Forscherteam, bestehend aus Japaner, Amerikaner und Chinesen einen ersten Blick auf dem Planeten warfen, erwarteten sie einen Jupiter-ähnlichen Planeten. „Keines unserer Modelle erklärt dieses Phänomen eines solchen Planeten“, erklärt Bun`ei Sato, einer der Teammitglieder aus Japan.

„Extrasolare Planeten sind bisher Mangelware. Gerade mal 150 hat man in den letzten zehn Jahren entdeckt. Dabei wurden die meisten nur zufällig entdeckt, als sie sich gerade bewegten und sich der Abstand zur Erde änderte. Die Änderungen der Geschwindigkeit liegen an der sich ständig veränderten Gravitation der einzelnen Planeten. Auch bei diesem Planeten wurde dieselbe Taktik angewandt. Als sich der Planet vor seinen Stern schob, wurde er entdeckt und die physikalische Größe ungefähr bestimmt. Dabei wurde überraschender Weise dieser solide Planetenkern und eine merkwürdige Atmosphäre entdeckt“, erklärt Debra Fischer den Entdeckungsvorgang. Sie war die Leiterin dieser internationalen Mannschaft an Astronomen.
Der entdeckte Planet umkreist den sonnenähnlichen Stern HD 149026 und hat etwa die Masse Saturns, ist aber signifikant kleiner als Saturn womit die Dichte des Planeten um ein Vielfaches höher ist. Er benötigt nur lächerliche 2.87 Tage für eine Umdrehung um seinen Sternes (im Vergleich: die Erde benötigt ein Jahr, also 365 Tage um die Sonne). Der Planet hat ungefähr die 70-fache Erdmasse. Dieser Fund prüft nun die Theorie über die Entstehungsgeschichte von Planeten, die erst vor kurzem aufgestellt wurde. Forscher glauben, dass sich die großen Kerne der Planeten nicht durch einen Kollaps von interstellaren Staub- und Gaswolken gebildet haben können. Stattdessen glaubt man, dass die Planetenkerne einmal so klein wie Asteroiden oder Kometen waren und sich mit der Zeit vergrößerten. Hier ist die Theorie der Planetenformation erstmals auf den Prüfstand.

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