Rtselhafter Gasriese um HD 114082

Ein rätselhafter Gasriese um HD 114082
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
30. November 2022

Astronomen haben einen riesigen Planeten entdeckt, der einen sonnenähnlichen Stern namens HD 114082 umkreist. Mit nur 15 Millionen Jahren ist dieser Superjupiter der jüngste Exoplanet, dessen Radius und Masse bestimmt wurden. Diese beiden Dimensionen lassen sich jedoch nur schwer mit dem weithin akzeptierten Modell der Erdentstehung vereinbaren.

HD 114082 b

Die Darstellung dieses Künstlers zeigt einen Gasriesen-Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Der junge Exoplanet HD 114082 b umkreist seinen sonnenähnlichen Stern in 0,5 AE Entfernung in 110 Tagen.
Bild:
NASA/JPL-Caltech
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Astronomen haben mehr als 5.000 Exoplaneten entdeckt, und etwa 15 Prozent von ihnen sind Gasriesen mit einer Masse von nicht weniger als Jupiter. Jetzt hat ein Team von Astronomen unter der Leitung von Olga Zahojai vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und der Hauptsternwarte der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine in Kiew einen Exoplaneten namens HD 114082 b entdeckt, der mehrere Merkmale aufweist. Das regt Wissenschaftler zum Nachdenken an.

Der Planet ist etwa so groß wie Jupiter, hat aber die achtfache Masse von Jupiter. „Im Vergleich zu derzeit akzeptierten Modellen ist HD 114082 b zwei- bis dreimal dichter für einen jungen Gasriesen, der nur 15 Millionen Jahre alt ist“, sagte Zahojai. Es ist erstaunlich, dass die durchschnittliche Dichte dieses Gasplaneten doppelt so hoch ist wie die der Erde. Schließlich ist die Erde ein Gesteinsplanet mit Eisen-Nickel-Kern und besteht nicht aus Wasserstoff oder Helium, den leichtesten Elementen des Universums, und fast ausschließlich aus Jupiter.

„HD 114082 b ist der jüngste Gasriesenplanet, dessen Masse und Radius bisher bestimmt wurden“, sagte Zahojai. Also verspricht er, Astronomie allgemein über die Entstehung von Gasriesen zu unterrichten. „Wir glauben, dass Riesenplaneten auf zwei Arten entstehen können“, erklärt Ralf Launhardt vom MPIA. „Beide finden innerhalb der protoplanetaren Gas- und Staubscheibe statt, die sich um den jungen Stern ausbreitet.“ Beim ersten Prozess, der als „Kernabscheidung“ bezeichnet wird, wird zunächst ein fester Kern aus felsigem Material abgeschieden. Sobald eine kritische Masse erreicht ist, zieht die Schwerkraft das umgebende Gas an und reichert schnell Wasserstoff und Helium an, um einen riesigen Planeten zu bilden. In einem zweiten Prozess, der als „Scheibeninstabilität“ bezeichnet wird, kollabieren Bündel aus gravitativ instabilem, dichtem Gas direkt und bilden einen riesigen Planeten ohne felsigen Kern.


Abhängig von den Annahmen dieser beiden Szenarien muss das Gas unterschiedlich schnell abkühlen, was die Temperatur junger Gasriesenplaneten bestimmt. So können neue Planeten einen „Kaltstart“ oder einen „Heißstart“ erfahren, was zu erheblichen Unterschieden führt, die diese Modelle besonders in jungen Jahren unterscheiden können.

Derzeit bevorzugen viele Astronomen ein Kernakkretionsszenario mit einem heißen Start für Riesenplaneten wie HD 114082 b. Da heißes Gas mehr Volumen einnimmt als kaltes Gas, sollte beachtet werden, dass es einen signifikanten Unterschied in der Größe der beobachteten Planeten gibt. Dieser Größenunterschied ist bei jungen Planeten ausgeprägter. Dieser Effekt lässt jedoch während der ersten paar hundert Millionen Jahre der Abkühlung nach der Entstehung nach. Auf den ersten Blick widerspricht HD 114082 b den Erwartungen. Die Kombination aus Masse und Größe entspricht nicht dem Bild eines heißen Starts. Stattdessen entspricht es eher dem Kaltstartszenario.

Interessanterweise zeigen einige ältere Kandidaten in anderen Studien das gleiche Verhalten. „Es ist noch zu früh, die Idee eines heißen Starts aufzugeben“, erklärt Launhardt. „Was wir sagen können, ist, dass die Entstehung von Riesenplaneten noch nicht gut verstanden ist.“ HD 114082 b ist im Vergleich zu aktuellen Modellen deutlich zu leicht. Entweder hat es einen ungewöhnlich großen festen Kern, oder die Modelle liegen falsch und unterschätzen die Abkühlungsgeschwindigkeit dieser Gasriesen, oder beides.

Die Entdeckung von HD 114082 b ist das Ergebnis eines umfangreichen Beobachtungsprogramms namens RVSPY (Radiation Velocity Survey of Planets Around Young Stars). Es führt derzeit 775 Stunden Beobachtungen mit dem ESO/MPG 2,2-m-Teleskop mit MPIA am Standort La Silla der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile durch, verteilt über 4,5 Jahre. RVSPY ist ein Beispiel für eine leistungsstarke astronomische Durchmusterung, die an langfristig zugänglichen Teleskopen durchgeführt wird. Mit modernen Teleskopen ist eine solche Forschung nicht möglich, da die Beobachtungszeit pro Projekt aufgrund der hohen Nachfrage sehr begrenzt ist.

Das Ziel von RVSPY ist es, die Anzahl und Verteilung von (heißen, warmen, kalten) Riesenplaneten um junge Sterne aufzudecken. Zu diesem Zweck haben Astronomen eine Zeitreihe der Spektren von 111 jungen Sternen aufgenommen, also das Sternenlicht in seine primären Farbkomponenten zerlegt, ähnlich wie wir es in Regenbögen sehen. Eine kleine periodische Verschiebung im Sternspektrum kann das beobachtete Sterntaumeln aufgrund der Gravitationseffekte eines umlaufenden Planeten darstellen. Im Allgemeinen können Sternaktivitäten wie Pulsationen und Flares die Messungen beeinflussen, insbesondere bei jungen Sternen wie HD 114082. Die Qualität der RVSPY-Daten reicht jedoch aus, um das Wackelsternsignal eindeutig zu identifizieren. Das Team schloss ältere Archivdaten von anderen Teleskopen ein, um die Abdeckung der Vergangenheit zu erweitern.

Astronomen verwenden diese als Radialgeschwindigkeit bezeichnete Methode, um die Masse und Umlaufzeit eines Planeten um seinen Stern zu berechnen, aber eine andere Methode zur Bestimmung seiner Größe ist die Transitmethode. Es beobachtet periodische kleine Sonnenfinsternisse von Planeten, die vor dem Stern vorbeiziehen. „Wir vermuteten bereits eine fast seitliche Konfiguration der Umlaufbahn des Planeten, weil vor einigen Jahren ein Staubring um HD 114082 entdeckt wurde“, sagte Zahojai. „Wir haben jedoch Beobachtungen mit bemerkenswerten Transmissionslichtkurven in den TESS-Daten gefunden, was unsere Analyse verbessert.“

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ist ein NASA-Raumschiff, das nach Exoplaneten in der Nähe von Sternen in relativer Nähe zur Erde sucht. Als Zahojai und seine Kollegen diese Messungen kombinierten, fanden sie heraus, dass HD 114082 b seinen sonnenähnlichen Mutterstern in 110 Tagen in einer Entfernung von 0,5 AE umkreist. Eine astronomische Einheit ist die durchschnittliche Entfernung zwischen Sonne und Erde. Dies ist vergleichbar mit der Umlaufbahn des Merkur um unsere Sonne.

HD 114082 b ist einer von drei jungen Riesenplaneten, deren Masse und Größe bestimmt wurden, etwa 30 Millionen Jahre alt. Und alle werden wahrscheinlich mit den am häufigsten akzeptierten Hot-Start-Modellen in Konflikt geraten. Obwohl Astronomen die geringe Anzahl von Drei-Planeten-Statistiken verwenden, ist es unwahrscheinlich, dass sich all diese Planeten zu stark überlappen. „Es werden mehr Planeten benötigt, um diesen Trend zu bestätigen, aber wir glauben, dass Theoretiker ihre Berechnungen revidieren sollten“, sagte Zahojai. „Es ist spannend, wie unsere Beobachtungen die Theorie der Planetenentstehung beeinflussen. Sie tragen dazu bei, unser Wissen darüber zu verbessern, wie diese Riesenplaneten entstehen, und zeigen, wo es Lücken in unserem Verständnis gibt.“

Das Team berichtete in einem in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel über die Beobachtung von HD 114082 b Astronomie und Astrophysik erschien.

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Distant Worlds – astronews.com berichtet über die Suche nach extrasolaren Planeten

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