29 Cygni b oder wie entstehen massereiche Himmelskörper?

Letzte Änderung:3 Tagen
Lesezeit:4Minuten
Wörter:1036
Beitragsaufrufe:2511

Wo verläuft die Grenze zwischen Sternen und den massereichsten Planeten? Wissenschaftler vermuten, dass dies von ihrer Entstehungsmethode abhängt. Entstanden sie durch ein „Bottom-up“-Prozess, bei dem sie allmählich wuchsen, oder durch ein „Top-down“-Prozess, bei dem sich eine große Ansammlung von Gas und Staub in kleinere, planetengroße Fragmente aufspaltete? Astronomen nutzten das James-Webb-Weltraumteleskop von NASA, ESA und CSA, um ein Objekt zu untersuchen, das etwa 15-mal so schwer ist wie Jupiter und sich damit genau an der Grenze zwischen den beiden Prozessen befindet. Sie fanden heraus, dass sich das Objekt mit der Bezeichnung 29 Cygni b wahrscheinlich eher von unten nach oben als von oben nach unten gebildet hat. Mit anderen Worten: Es entstand wie ein Planet, nicht wie ein Stern.

Der Exoplanet 29 Cygni b, dargestellt in dieser künstlichen Darstellung, ist ein Gasriese mit etwa der 15-fachen Jupitermasse. Er umkreist einen Stern vom Spektraltyp A, der etwas heißer und massereicher als unsere Sonne ist. Ein hypothetisches Kometenfragment nähert sich dem Planeten, während frühere Einschläge dunkle Flecken auf seinen Wolkenoberflächen hinterlassen haben. – Credit: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

Planeten, wie jene in unserem Sonnensystem, entstehen durch einen Bottom-up-Prozess, bei dem sich kleine Gesteins- und Eisbrocken zusammenballen und mit der Zeit wachsen. Je massereicher der Planet jedoch ist, desto schwieriger lässt sich seine Entstehung auf diese Weise erklären.

Astronomen untersuchten mit dem James-Webb-Weltraumteleskop 29 Cygni b, ein Objekt mit etwa der 15-fachen Masse des Jupiters, das einen nahen Stern umkreist. Sie fanden zahlreiche Hinweise darauf, dass 29 Cygni b tatsächlich durch einen Bottom-up-Prozess entstanden ist, was neue Erkenntnisse darüber liefert, wie die massereichsten Planeten entstehen. Ein Artikel, der diese Ergebnisse beschreibt, wurde in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Die Planetenentstehung findet, wie allgemein bekannt, in riesigen Scheiben aus Gas und Staub um Sterne durch einen Prozess namens Akkretion statt. Staubklumpen verdichten sich zu kleinen Partikeln, die kollidieren und immer größer werden, wodurch Protoplaneten und schließlich Planeten entstehen. Die größten dieser Partikel sammeln dann Gas an und entwickeln sich zu Riesenplaneten wie Jupiter. Da die Entstehung von Gasriesen mehr Zeit in Anspruch nimmt und die Scheibe aus planetenbildendem Material schließlich verdampft und verschwindet, enthalten Planetensysteme letztendlich viel mehr kleine als große Planeten.

Sterne entstehen hingegen, wenn eine riesige Gaswolke zerfällt und jedes Fragment unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenfällt, wodurch es kleiner und dichter wird. Ein ähnlicher Zerfallsprozess könnte theoretisch auch in protoplanetaren Scheiben stattfinden. Das könnte erklären, warum einige sehr massereiche Objekte Milliarden von Kilometern von ihren Muttersternen entfernt gefunden werden, in Regionen, in denen die protoplanetare Scheibe eigentlich zu dünn gewesen wäre, als dass eine Akkretion hätte stattfinden können.

29 Cygni b liegt an der Trennlinie zwischen dem, was durch diese beiden unterschiedlichen Mechanismen erklärt werden kann. Er wiegt 15-mal so viel wie Jupiter und umkreist seinen Stern in einer durchschnittlichen Entfernung von 2,4 Milliarden Kilometern, etwa so weit wie Uranus in unserem Sonnensystem. Das Forschungsteam nahm ihn ins Visier, da er potenziell aus beiden Prozessen hervorgegangen sein könnte.

Das Beobachtungsprogramm des Wissenschaftsteams nutzte Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCam) im koronagraphischen Modus, um 29 Cygni b direkt abzubilden. Dieser Planet war das erste von vier Objekten, die im Rahmen des Programms untersucht wurden. Alle vier Objekte haben bekanntermaßen die 1- bis 15-fache Masse des Jupiters. Das Team legte außerdem fest, dass die Zielobjekte ihre Sterne in einem Umkreis von etwa 15 Milliarden Kilometern umkreisen sollten.

Die Planeten waren alle jung und aufgrund ihrer Entstehung noch heiß, mit Temperaturen zwischen etwa 530 und 1.000 Grad Celsius. Dies gewährleistete, dass ihre Atmosphärenchemie derjenigen der Planeten von HR 8799 ähnelte, deren System das Team bereits zuvor untersucht hatte .

Durch die Wahl geeigneter Filter konnte das Team nach Anzeichen für die Absorption von Licht durch Kohlendioxid (CO₂) und Kohlenmonoxid (CO) suchen, wodurch es die Menge dieser schwereren chemischen Elemente bestimmen konnte, die Astronomen zusammenfassend als Metalle bezeichnen.

Sie fanden starke Hinweise darauf, dass 29 Cygni b im Vergleich zu seinem Zentralstern, dessen Zusammensetzung unserer Sonne ähnelt, mit Metallen angereichert ist. Angesichts der Planetenmasse entspricht die Menge an schweren Elementen, die er enthält, etwa 150 Erdmassen. Dies deutet darauf hin, dass er große Mengen metallreicher Festkörper aus einer protoplanetaren Scheibe aufgenommen hat.

Das Team nutzte außerdem ein bodengebundenes optisches Teleskoparray namens CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy), um festzustellen, ob die Umlaufbahn des Planeten mit der Rotation des Sterns übereinstimmt. Sie bestätigten diese Ausrichtung, die für ein Objekt, das aus einer protoplanetaren Scheibe entstanden ist, zu erwarten wäre.

Zusammengenommen deuten diese Beweise stark darauf hin, dass sich 29 Cygni b innerhalb einer protoplanetaren Scheibe durch rasche Akkretion metallreichen Materials gebildet hat. Während das Team Daten zu den anderen drei Zielen seines Programms sammelt, plant es, nach Hinweisen auf Unterschiede in der Zusammensetzung zwischen Planeten mit geringerer und höherer Masse zu suchen. Dies dürfte zusätzliche Einblicke in ihre Entstehungsmechanismen liefern.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop unter Einsatz der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec sowie 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium staatlich finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)