Die außergewöhnliche Beobachtung der Geburt eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems

Von Jérôme Bouvier & Rajeev Manick

Unsere Fähigkeit, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu entdecken, wird immer besser. So sind Astrophysiker nun in der Lage, Exoplaneten zu erkennen, die noch in der Staubwolke eingebettet sind, aus der sie gerade nach ihrer Entstehung hervorgegangen sind. Dies ist der Fall bei dieser Entdeckung: ein sehr junger Planet, der in sehr geringem Abstand um seinen Stern kreist.


Die Suche nach Exoplaneten, Planeten, die Sterne umkreisen, die nicht unsere Sonne sind, ist eine der Hauptaufgaben der modernen Astrophysik. Ein weiterer Schritt wurde nun mit der Entdeckung eines entstehenden Planeten getan, der enge Bahnen um einen jungen Stern zieht. Es handelt sich dabei um das jüngste und kompakteste jemals entdeckte System, das sich gerade im Entstehungsprozess befindet. Damit eröffnet sich ein neuer Blick auf die Ursprünge von Exoplanetensystemen.


1995 entdeckten Michel Mayor und Didier Queloz am Observatorium von Haute-Provence den ersten Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist: 51 Pegasi b. Der Nobelpreis, den die beiden Schweizer Astronomen 2019 erhielten, unterstreicht die Bedeutung dieser Entdeckung, die neue Perspektiven auf unsere Ursprünge und die Möglichkeit von Leben anderswo eröffnet.

Seitdem widmet sich ein ganzer Zweig der astrophysikalischen Forschung der Suche nach Exowelten. Heutzutage sind nahezu 7.000 Exoplaneten rund um Sterne in unserer Region der Galaxie erfasst. Durch Extrapolation wird geschätzt, dass nahezu jeder Stern in der Galaxie mindestens einen oder mehrere Planeten besitzt.

Die Geburt der Planeten aufspüren

In den letzten zehn Jahren hat das Weltraumteleskop Kepler der NASA seine Mission übertroffen: Allein dieses Teleskop hat Tausende von Planeten entdeckt und die Architektur von Exoplanetensystemen offenbart. Im Vergleich zu unserem Sonnensystem, das aus vier inneren Gesteinsplaneten und vier äußeren Gasplaneten besteht, erscheinen die meisten Exoplaneten-Systeme weitaus kompakter.


Exoplanetensysteme beherbergen in der Regel Supererden (1,2- bis 3,5-mal so groß wie die Erde) und Mini-Neptune (bis zu 7- bis 8-mal so groß wie die Erde), die in sehr enger Umlaufbahn um ihren Stern kreisen, oft näher als der Orbit des Merkur um die Sonne (etwa 60 Millionen Kilometer). Dies ist beispielsweise bei den Exoplaneten von Trappist-1 der Fall. Um die Ursprünge solcher Systeme besser zu verstehen, ist es unerlässlich, zu versuchen, sie im Moment ihrer Geburt zu entdecken.

Das Ziel des von uns am Institut für Planetenforschung und Astrophysik in Grenoble (IPAG) geleiteten europäischen Projekts SPIDI besteht darin, Exoplaneten zu entdecken, die sich im Orbit um junge Sterne bilden. Insbesondere suchen wir nach Exoplaneten in engem Orbit, die die Vorläufer der kompakten Systeme darstellen, die von Kepler um bereits reifere Sterne herum entdeckt wurden.

Es gibt jedoch noch mehrere Herausforderungen zu meistern. Aufgrund ihrer Entfernung von mehreren hundert Lichtjahren, ihrer engen Umlaufbahn um den Stern und ihrer geringen Leuchtkraft sind wir noch nicht in der Lage, das von diesen kompakten Systemen ausgehende Licht direkt zu beobachten.

Hochentwickelte Instrumente zur Entdeckung eines Planeten

Daher ist es notwendig, indirekte Methoden anzuwenden, etwa indem man nach Störungen in der Bewegung oder Strahlung des Sterns sucht, die durch die Planeten verursacht werden. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass junge Sterne sehr aktive Stellen sind, auf denen Eruptionsereignisse tausendmal stärker auftreten als an der Oberfläche unserer Sonne. Den planetarischen Signal aus dem "Rauschen" des Sterns herauszufiltern, ist daher vergleichbar mit dem Versuch, eine Symphonie in der Nähe eines Presslufthammers zu hören.

Erst durch die Verwendung der leistungsfähigsten derzeit verfügbaren Instrumente konnten wir ein Signal nachweisen, das die Anwesenheit eines neuen Exoplaneten verrät. Insbesondere haben wir das Canada-France-Hawaii-Teleskop genutzt, das sich auf einer Höhe von 4.200 Metern mitten im Pazifik befindet, kombiniert mit Daten des Kepler-Satelliten und einem Netzwerk von Teleskopen, das sich über die ganze Erde erstreckt, das sogenannte Las Cumbres Observatory.


All diese Daten erlaubten es uns, zu bestimmen, dass dieser Planet in weniger als einem Monat um einen jungen Stern namens CI Tau kreist. Das aufgezeichnete Signal besteht aus periodischen Schwankungen der Helligkeit und der Geschwindigkeit des Systems, die sich alle 25,2 Tage wiederholen. Da sich der Stern selbst in nur 9 Tagen um die eigene Achse dreht, reichten diese Werte nicht aus, um die Beobachtungen zu erklären.

Ein Himmelskörper, der noch in der Hülle steckt, die seine Entstehung begünstigte

Dieser Himmelskörper, der sich im Sternbild Stier befindet, ist erst 2 Millionen Jahre alt, was auf der Skala eines Sterns nur wenigen Tagen entspricht, und ist noch von seiner protoplanetaren Scheibe umgeben, einer Scheibe aus Gas und Staub um den Stern herum, in der sich die Planeten bilden. Die Struktur dieser Scheibe ist segmentiert, was auf die mögliche Anwesenheit weiterer Planeten hindeutet. Bislang haben wir jedoch nur einen einzigen nachgewiesen. Da jede Technik ihre eigenen Erkennungs-Bias aufweist, müssen in der Regel mehrere Methoden angewandt werden, um eine Beschreibung des Systems zu vervollständigen.


Es handelt sich hier um einen heißen Proto-Jupiter, dessen Masse auf das 3,6-fache der Masse des Jupiter geschätzt wird und der eine sehr exzentrische Umlaufbahn um seinen Stern beschreibt. In dieser Phase wird die Architektur dieses Systems festgelegt, das Produkt der Wechselwirkung zwischen dem Stern und seiner Scheibe. Diese erste Entdeckung eines Exoplaneten, der weniger als 25 Millionen Kilometer von seinem Stern entfernt mit dessen Scheibe interagiert, ergänzt die direkte Beobachtung von entstehenden Planeten, die sich in einer Entfernung von mehreren Milliarden Kilometern um ihren Stern befinden.

Noch immer in der Scheibe eingebettet, aus der er entstanden ist, zeigt dieser Planet die Möglichkeit auf, die Entstehungsphasen kompakter Exoplanetensysteme zu untersuchen, die die Galaxie zu bevölkern scheinen. Letztlich wird uns das Studium dieses Typs von Systemen dabei helfen, die Anfangsbedingungen zu erhellen, die die Bildung von Exowelten bestimmen – durch reiche und komplexe Prozesse, von denen einige möglicherweise zur Entstehung von Leben führen werden.

Quelle: The Conversation unter der Creative Commons Lizenz