Astronomen haben herausgefunden, dass sich Planeten von den wirbelnden Hüllen aus Gas und Staub unterscheiden können, aus denen sie entstanden sind. Die Enthüllung scheint darauf hinzudeuten, dass das von Wissenschaftlern bevorzugte Modell der Planetenentstehung möglicherweise zu einfach ist.
Ein Team unter der Leitung von Forschern der Northwestern University in Illinois machte diese Entdeckung, als es einen sich noch entwickelnden Planeten und die Scheibe aus Geburtsmaterial, in der er sich befindet, beobachtete.
Der Exoplanet im Zentrum dieser Forschung ist PDS 70b, ein Gasriese mit etwa der dreifachen Masse und Breite von Jupiter, der 369 Lichtjahre von uns entfernt liegt. PDS 70b umkreist seinen Stern in etwa der 20-fachen Entfernung zwischen Erde und Sonne und benötigt für eine Umrundung 119,2 Erdenjahre.
So wie wir von Kindern erwarten, dass sie wie ihre Eltern aussehen, haben Wissenschaftler auch erwartet, dass Planeten Ähnlichkeiten mit den Materiescheiben um junge Sterne, den sogenannten protoplanetaren Scheiben, aufweisen, aus denen sie entstehen und die sich dann im Laufe ihrer Entwicklung bilden.
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„Für beobachtende Astrophysiker war ein weithin akzeptiertes Bild der Planetenentstehung wahrscheinlich zu vereinfacht“, sagte Teamleiter Chih-Chun „Dino“ Hsu von der Northwestern University in einer Erklärung. „Diesem vereinfachten Bild zufolge sollte das Verhältnis von Kohlenstoff- und Sauerstoffgasen in der Atmosphäre eines Planeten dem Verhältnis von Kohlenstoff- und Sauerstoffgasen in seiner Geburtsscheibe entsprechen – vorausgesetzt, der Planet sammelt Materialien durch Gase in seiner Scheibe an. Stattdessen haben wir einen Planeten mit gefunden ein Kohlenstoff- und Sauerstoffverhältnis, das im Vergleich zu seiner Scheibe viel niedriger ist.
„Jetzt können wir den Verdacht bestätigen, dass das Bild der Planetenentstehung zu vereinfacht war.“
Planetenkinder gehen ihren eigenen Weg
Planeten entstehen, wenn die Materie, die junge Sterne umgibt, eine protoplanetare Scheibe bildet. Im Laufe von Millionen von Jahren verklumpen Teile des kalten Gases und Staubs in dieser Scheibe aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft und bilden die Keime von Planeten.
Die Untersuchung dieser Phase der Planetenentwicklung wurde durch die Tatsache erschwert, dass es bis vor Kurzem unmöglich war, einen direkten Blick auf einen Exoplaneten innerhalb seiner Geburtshülle zu werfen. Wenn Planeten sichtbar werden, sind sie im Allgemeinen gealtert und ihre Hüllen haben sich aufgelöst.
Das System um den jungen Stern PDS 70 ist jedoch anders. Dort sind in ihren Hüllen zwei Planeten zu unterscheiden, die schätzungsweise etwa 5 Millionen Jahre alt sind, PDS 70b und PDS 70c.
„Dies ist ein System, in dem sich sowohl die Planeten als auch die Materialien, aus denen sie entstanden sind, immer noch bilden“, sagte Studienteammitglied Jason Wang, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Northwestern University. „Frühere Studien haben diese Gasscheibe analysiert, um ihre Zusammensetzung zu verstehen.
„Zum ersten Mal konnten wir die Zusammensetzung des sich noch bildenden Planeten selbst messen und sehen, wie ähnlich die Materialien auf dem Planeten im Vergleich zu den Materialien in der Scheibe sind.“
Um die chemische Zusammensetzung der Scheibe und von PDS 70b zu bestimmen, untersuchte das Team das Licht des jungen Sternensystems. Diese Untersuchung ist möglich, weil chemische Elemente Licht charakteristischer Wellenlängen absorbieren und emittieren. Das bedeutet, dass Chemikalien in der Atmosphäre ihre „Fingerabdrücke“ im Sternenlicht hinterlassen, das sie durchdringt.
Das Studienteam entwickelte eine neue Technologie, die die schwachen Merkmale sichtbar machte, die sonst nicht zu unterscheiden wären.
„Diese neuen Werkzeuge ermöglichen die Aufnahme wirklich detaillierter Spektren von schwachen Objekten neben wirklich hellen Objekten“, sagte Wang. „Denn die Herausforderung besteht darin, dass es neben einem wirklich hellen Stern einen wirklich schwachen Planeten gibt. Es ist schwierig, das Licht des Planeten zu isolieren, um seine Atmosphäre zu analysieren.“
Aus diesen Daten konnte das Team Informationen über das Wasser und Kohlenmonoxid rund um PDS 70b gewinnen. Mit diesen Informationen könnten sie auf das Verhältnis von Kohlenstoff und Sauerstoff in der Atmosphäre des Planeten schließen. Das Team verglich dies dann mit dem Verhältnis der gleichen Gase in der Scheibe, die den Planeten bildete.
„Wir haben zunächst erwartet, dass das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis auf dem Planeten dem der Scheibe ähneln könnte“, sagte Hsu. „Stattdessen stellten wir fest, dass der Kohlenstoffgehalt im Verhältnis zu Sauerstoff im Planeten viel geringer war als das Verhältnis in der Scheibe. Das war etwas überraschend und zeigt, dass unser weithin akzeptiertes Bild der Planetenentstehung zu vereinfacht war.“
Das Team weiß nicht genau, was dazu geführt hat, dass PDS 70b von seiner pränatalen Wolke abweicht, hat aber zwei mögliche Erklärungen.
Beim ersten Mal würde sich PDS 70b bilden, bevor die protoplanetare Scheibe mit Kohlenstoff angereichert wäre. Alternativ könnte dieser Exoplanet durch die Aufnahme großer Mengen fester Materialien und nicht nur von Gasen gewachsen sein.
„Wenn der Planet vorzugsweise Eis und Staub absorbiert hätte, wären dieses Eis und dieser Staub verdampft, bevor sie auf den Planeten gelangten“, sagte Wang. „Es könnte uns also sagen, dass wir Gas nicht einfach mit Gas vergleichen können. Die festen Bestandteile könnten einen großen Unterschied im Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis machen.“
Der nächste Schritt der Forscher besteht darin, das Sternensystem PDS 70 genauer zu untersuchen. Dazu gehört auch die Untersuchung des Planeten PDS 70c, des Begleiters von PDS 70b.
„Durch die gemeinsame Untersuchung dieser beiden Planeten können wir die Entstehungsgeschichte des Systems noch besser verstehen“, sagte Hsu. „Aber es ist auch nur ein System. Idealerweise müssen wir mehr davon identifizieren, um besser zu verstehen, wie Planeten entstehen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (18. Dezember) in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
