Isotopenanalyse wirft Fragen zur Planetenentstehung auf

Das jun­ge und unfer­ti­ge Pla­ne­ten­sys­tem des 23 Mil­lio­nen Jah­re alten Sterns Beta Pic­to­ris (kurz: Beta Pic) hat sich zu einem Para­de­bei­spiel für zir­kum­stel­la­re Staub­schei­ben ent­wi­ckelt und beher­bergt min­des­tens drei Rie­sen-Gas­pla­ne­ten. Beta Pic­to­ris b wur­de bereits 2008 mit­tels direk­ter Bild­ge­bung ent­deckt und ist mit etwa 11 Jupi­ter­mas­sen der mas­se­reichs­te die­ser Pla­ne­ten. Er umkreist sei­nen Zen­tral­stern auf einer wei­ten Umlauf­bahn und benö­tigt dafür etwa 23 Jahre.

Astro­nom­in­nen und Astro­no­men des Max-Planck-Insti­tuts für Astro­no­mie (MPIA) in Hei­del­berg, Deutsch­land, des Obser­va­toire de la Côte d’Azur (OCA) in Niz­za, Frank­reich, sowie wei­te­rer Part­ner haben Beta Pic b beob­ach­tet. Mit dem kürz­lich moder­ni­sier­ten Instru­ment GRAVITY+ unter­such­ten sie den Ursprung des Pla­ne­ten sowie eine mög­li­che atmo­sphä­ri­sche Varia­bi­li­tät. Das Instru­ment ist an das Very Lar­ge Telescope Inter­fe­ro­me­ter (VLTI) ange­schlos­sen, das von der Euro­päi­schen Süd­stern­war­te (ESO) am Par­anal-Obser­va­to­ri­um in Chi­le betrie­ben wird. Anto­nia von Stauf­fen­berg, Dok­to­ran­din am MPIA, ist die Haupt­au­to­rin der Stu­die, die als Let­ter in der Fach­zeit­schrift Astro­no­my & Astro­phy­sics erschie­nen ist.

„Das inter­fe­ro­me­tri­sche Instru­ment GRAVITY+ ist extrem sta­bil […], was es ein­zig­ar­tig macht, um die Eigen­schaf­ten von direkt abge­bil­de­ten Exo­pla­ne­ten mit hoher Genau­ig­keit zu bestim­men“, sagt Co-Autor und MPIA-Wis­sen­schaft­ler Jonas Sau­ter. GRAVITY+ ist eine Erwei­te­rung des ursprüng­li­chen GRA­VI­TY-Instru­ments und ver­fügt über eine ver­bes­ser­te adap­ti­ve Optik.

Was lässt sich über die Atmosphäre und den Ursprung von Beta Pictoris b lernen?

Das Team wen­de­te eine Metho­de an, die vor eini­gen Jah­ren vor­ge­schla­gen wur­de, um den Geburts­ort von Pla­ne­ten in pla­ne­ten­bil­den­den Schei­ben zu bestim­men. Durch die Mes­sung des rela­ti­ven Häu­fig­keits­ver­hält­nis­ses zwi­schen zwei ver­schie­de­nen Vari­an­ten von Koh­len­stoff, die im Koh­len­mon­oxid­gas der Atmo­sphä­re von Beta Pic b gebun­den sind, soll­te sich ablei­ten las­sen, ob der Pla­net außer­halb oder inner­halb einer Regi­on der Schei­be ent­stand, in der Koh­len­mon­oxid als Eis vor­lag. Unter Berück­sich­ti­gung der Strah­lung des Zen­tral­sterns, der die Schei­be von innen auf­heizt, lie­ße sich dies direkt in die Ent­fer­nung zum Stern über­set­zen, in der der Pla­net entstand.

Der Radi­us, an dem die Tem­pe­ra­tur nied­rig genug ist, damit Gas zu Eis gefriert, wird im All­ge­mei­nen als Schnee­li­nie bezeich­net. Der Fach­be­griff für die Vari­an­ten eines Atoms, etwa bei Koh­len­stoff, lau­tet Iso­top. Iso­to­pe besit­zen die glei­che Anzahl an posi­tiv gela­de­nen Pro­to­nen im Atom­kern, unter­schei­den sich jedoch in der Anzahl der neu­tra­len Neu­tro­nen – wie bei den bei­den Koh­len­stoff-Iso­to­pen ¹²C und ¹³C. Infol­ge­des­sen haben sie leicht unter­schied­li­che Mas­sen, wei­sen jedoch ähn­li­che che­mi­sche Eigen­schaf­ten auf. Im Welt­all ver­bin­det sich Koh­len­stoff häu­fig mit Sau­er­stoff und bil­det dabei ¹²CO- und ¹³CO-Mole­kü­le.

Ein spannendes, vorläufiges Szenario

Inter­es­san­ter­wei­se nutz­te der MPIA-Wis­sen­schaft­ler Mat­thieu Ravet bei einem frü­he­ren Ver­such zur Bestim­mung des Dia­gno­se­ver­hält­nis­ses zwi­schen ¹²CO und dem etwas schwe­re­ren ¹³CO das ursprüng­li­che GRA­VI­TY-Instru­ment noch vor des­sen Moder­ni­sie­rung. Dabei ergab sich ein ver­gleichs­wei­se nied­ri­ges Ver­hält­nis. Die For­schen­den ver­mu­te­ten bereits damals, dass GRAVITY even­tu­ell unzu­rei­chend war, um die ent­schei­den­den Signa­le in die­sem Daten­satz sau­ber auf­zu­lö­sen, und mahn­ten zur Vor­sicht bei der Interpretation.

Folgt man den­noch der Logik des oben genann­ten Sze­na­ri­os, so deu­tet die­ser Wert dar­auf hin, dass Beta Pic b in der äuße­ren Schei­be jen­seits der Schnee­li­nie gewach­sen sein könn­te, indem er eher CO-Eis statt CO-Gas ansam­mel­te. Mit einer Ent­fer­nung von etwa 10 AE (Astro­no­mi­sche Ein­heit = der mitt­le­re Abstand zwi­schen Son­ne und Erde; 1 AE = 149,6 Mil­lio­nen Kilo­me­ter) von sei­nem Zen­tral­stern zieht Beta Pic b sei­ne Bahn der­zeit jedoch ein­deu­tig wei­ter innen, zwi­schen dem Stern und der Schnee­li­nie, wo CO vor­wie­gend als Gas hät­te vor­lie­gen sol­len. Unter der Annah­me, dass das Ergeb­nis kor­rekt ist, hät­te die­ser Befund dar­auf hin­ge­wie­sen, dass Beta Pic b durch die Schei­be gewan­dert sein könn­te (Pla­ne­ten­mi­gra­ti­on).

Neue und bessere Ergebnisse mit GRAVITY+

Mit­hil­fe von GRAVITY+ lei­te­ten von Stauf­fen­berg und ihre Mit­ar­bei­ten­den nun ein aktua­li­sier­tes und prä­zi­se­res ¹²CO/¹³CO-Häu­fig­keits­ver­hält­nis in der Atmo­sphä­re von Beta Pic b ab, das deut­lich höher liegt als der frü­he­re Wert. Wäh­rend ¹²CO klar nach­ge­wie­sen wur­de und des­sen Anteil ver­gleichs­wei­se ein­fach zu bestim­men ist, erfor­dert die Mes­sung von ¹³CO einen wesent­lich kom­ple­xe­ren Ansatz.

Inter­es­san­ter­wei­se stimmt das Ver­hält­nis mit dem Wert über­ein, der im Begleit­ar­ti­kel von Gon­zá­lez Picos et al. (2026) ver­öf­fent­licht wur­de. Jene Stu­die nutz­te ein ande­res Instru­ment, was die ver­bes­ser­te Daten­qua­li­tät unter­streicht, die GRAVITY+ im Ver­gleich zu sei­nem ursprüng­li­chen Design lie­fert. Das vor­he­ri­ge GRA­VI­TY-Ergeb­nis war ein­deu­tig durch sys­te­ma­ti­sche Unsi­cher­hei­ten beeinträchtigt.

Zudem fan­den die Astro­nom­in­nen und Astro­no­men sub­ti­le Hin­wei­se dar­auf, dass die vom Pla­ne­ten emp­fan­ge­ne Strah­lung im Lau­fe der Zeit schwankt. Trotz der gerin­gen sta­tis­ti­schen Signi­fi­kanz schei­nen die vor­herr­schen­den Ver­än­de­run­gen mit der Rota­ti­ons­pe­ri­ode des Pla­ne­ten von etwa 8,7 Stun­den ver­knüpft zu sein. Soll­te sich dies bestä­ti­gen, könn­te es auf Wol­ken oder che­mi­sche Pro­zes­se in der Atmo­sphä­re von Beta Pic b hin­deu­ten. Wei­te­re emp­find­li­che­re Beob­ach­tun­gen sind jedoch erfor­der­lich, um das Ergeb­nis abzusichern.

Anto­nia von Stauf­fen­berg sagt dazu: „Die Fähig­keit, sowohl Iso­to­po­lo­ge als auch eine poten­zi­el­le rota­ti­ons­be­ding­te Varia­bi­li­tät mit­hil­fe boden­ge­bun­de­ner Beob­ach­tun­gen eines Pla­ne­ten wie Beta Pic­to­ris b prä­zi­se ein­zu­gren­zen, demons­triert die außer­ge­wöhn­li­che Daten­qua­li­tät, die mit dem moder­ni­sier­ten Instru­ment GRAVITY+ erreicht wird.“

Zweifel an der Aussagekraft von Häufigkeitsverhältnissen

Im vor­ge­schla­ge­nen Modell zur Bestim­mung des Geburts­or­tes rückt das neue, prä­zi­se­re ¹²CO/¹³CO-Häu­fig­keits­ver­hält­nis Beta Pic b nun ein­deu­tig in den wär­me­ren, inne­ren Bereich der ursprüng­li­chen pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be. Dies stimmt auch mit dem aktu­el­len Stand­ort des Pla­ne­ten über­ein. Wei­ter­hin deckt sich das Ver­hält­nis weit­ge­hend mit Wer­ten, die übli­cher­wei­se im Son­nen­sys­tem und im inter­stel­la­ren Medi­um (ISM) zu fin­den sind, wel­ches den Raum zwi­schen den Ster­nen in der Milch­stra­ße erfüllt. Die über­wäl­ti­gen­de Mehr­heit von etwa einem Dut­zend jun­ger Rie­sen-Gas­pla­ne­ten, die hin­sicht­lich ihres CO-Ver­hält­nis­ses unter­sucht wur­den, weist ähn­li­che Wer­te auf.

Die­se Über­ein­stim­mung könn­te aller­dings eine schlech­te Nach­richt sein. Denn das Koh­len­stoff-Iso­to­pen­ver­hält­nis ver­liert damit sei­ne erhoff­te Aus­sa­ge­kraft für die Bestim­mung des Geburts­orts eines Pla­ne­ten. Die wahr­schein­lichs­te Erklä­rung dafür ist, dass mög­li­che Unter­schie­de wäh­rend der Pla­ne­ten­ent­ste­hung schlicht zu gering sind, um mit die­ser Metho­de erfasst zu wer­den. Damit ist das ¹²CO/¹³CO-Ver­hält­nis der­zeit nicht aus­sa­ge­kräf­tig genug, um spe­zi­fi­sche Rück­schlüs­se auf die jewei­li­ge Ent­ste­hungs­um­ge­bung eines Pla­ne­ten zu ziehen.

„Es ist nach wie vor schwie­rig, ¹³CO als Indi­ka­tor für die Ent­ste­hung von Rie­sen­pla­ne­ten zu nut­zen, da sowohl in den Model­len als auch in den Mes­sun­gen wei­ter­hin Unsi­cher­hei­ten bestehen“, sagt Anto­nia von Stauffenberg.

Es ist aber durch­aus wahr­schein­lich, dass die aktu­el­le Theo­rie die che­mi­schen Pro­zes­se im CO-Eis in sol­chen Staub­schei­ben noch nicht voll­stän­dig erfasst. Dann wür­de das ¹²CO/¹³CO-Ver­hält­nis schlicht kei­nen mess­ba­ren Unter­schied zwi­schen der mil­de­ren Gas­um­ge­bung und den eis­kal­ten Außen­be­rei­chen abbil­den. Vor­erst behal­ten die Rie­sen­pla­ne­ten mit aus­ge­dehn­ten Umlauf­bah­nen das Geheim­nis ihrer Ent­ste­hung also für sich. Um die ver­schie­de­nen Ent­ste­hungs­sze­na­ri­en künf­tig sau­ber von­ein­an­der zu tren­nen, braucht die Astro­no­mie neue Ana­ly­se­me­tho­den – und GRAVITY+ dürf­te bei deren Ent­wick­lung und Über­prü­fung eine Schlüs­sel­rol­le spielen.

MN

Hintergrundinformationen

Die Ergeb­nis­se beru­hen auf Daten, die im Rah­men des GRAVTY+-Garantiezeitprogramms (GTO) 114.27JS (PI: Lau­ra Kreid­berg) gewon­nen wur­den. Das GRAVITY+-Konsortium umfasst die fol­gen­den Insti­tu­te: MPE, INSU/CNRS, Uni­ver­si­tät zu Köln, MPIA, CENTRA, Uni­ver­si­tät Sout­hamp­ton sowie die asso­zi­ier­ten Part­ner KU Leu­ven, Uni­ver­si­ty Col­lege Dub­lin und die Uni­ver­si­dad Autó­no­ma de Méxi­co, in enger Zusam­men­ar­beit mit der ESO und unter­stützt durch die Max-Planck-Förderstiftung.

Am MPIA an die­ser Stu­die betei­lig­te Astro­nom­in­nen und Astro­no­men waren Anto­nia von Stauf­fen­berg, Jonas Sau­ter, Paul Mol­liè­re, Mat­thieu Ravet (auch am Obser­va­toire de la Côte d’Azur, Niz­za, Frank­reich [OCA] und an der Uni­ver­si­té Gre­no­ble Alpes, Gre­no­ble, Frank­reich), David Tre­vas­cus, Wolf­gang Brand­ner, Gaël Chau­vin (auch am OCA), Lau­ra Kreid­berg und Eli­sa­beth Matthews.

Wei­te­re For­schen­de waren: A. Ber­deu (Obser­va­toire de Paris, Meu­don, Frank­reich), M. Bon­ne­foy (Insti­tut de Pla­né­to­lo­gie et d’Astrophysique de Gre­no­ble, Frank­reich), G. Bour­da­rot (Max-Planck-Insti­tut für extra­ter­res­tri­sche Phy­sik, Gar­ching bei Mün­chen, Deutsch­land [MPE]), J.-B Le Bou­quin (Uni­ver­si­té Gre­no­ble Alpes: Saint-Martin‑d’Hères, Auver­gne-Rhô­ne-Alpes, Frank­reich [UGA]), F. Eisen­hau­er (MPE), M. Houl­lé (UGA), F. Mill­our (OCA), J. Scig­li­uto (OCA), J. Wang (Cen­ter for Inter­di­sci­pli­na­ry Explo­ra­ti­on and Rese­arch in Astro­phy­sics (CIERA) und Depart­ment of Phy­sics and Astro­no­my, Nor­thwes­tern Uni­ver­si­ty, Evan­s­ton, USA), J. W. Xuan (Depart­ment of Astro­no­my, Cali­for­nia Insti­tu­te of Tech­no­lo­gy, Pasa­de­na, USA [Cal­tech] und Depart­ment of Earth, Pla­ne­ta­ry, and Space Sci­en­ces, Uni­ver­si­ty of Cali­for­nia, Los Ange­les, USA), Y. Zhang (Cal­tech) sowie die GRAVITY+ Kollaboration.

Das von der Euro­päi­schen Süd­stern­war­te (ESO) betrie­be­ne Very Lar­ge Telescope Inter­fe­ro­me­ter (VLTI) ist ein Infra­rot-Inter­fe­ro­me­ter. Es kom­bi­niert das Licht der vier orts­fes­ten 8,2‑Meter-Hauptteleskope (Unit Telesco­pes, UTs) oder der vier beweg­li­chen 1,8‑Meter-Hilfsteleskope (Auxi­lia­ry Telesco­pes, ATs) des Very Lar­ge Telescope (VLT). Das VLTI befin­det sich am Par­anal-Obser­va­to­ri­um der ESO in Chile.

GRAVITY+ ist eine Erwei­te­rung des VLTI und sei­nes ursprüng­li­chen GRA­VI­TY-Instru­ments. Es ermög­licht die Abbil­dung licht­schwä­che­rer und wei­ter ent­fern­ter Him­mels­ob­jek­te als zuvor und ver­bes­sert gleich­zei­tig die kon­trast­rei­che Prä­zi­si­on bei hel­len Objek­ten. Das Kon­sor­ti­um besteht aus 15 For­schungs­in­sti­tu­ten aus sie­ben euro­päi­schen Län­dern, dar­un­ter das MPIA und die ESO.

Link zur Pres­se­mit­tei­lung des MPIA