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Astronomie+Physik

Ein Zwerg gebiert Riesen

GJ 3512
Vergleich von GJ 3512 mit dem Sonnensystem. (Bild: Guillem Anglada-Escude-IEEC/ SpaceEngine.org)

Gasriesen von der Größe des Jupiter kommen auch um andere Sterne häufig vor. Doch nun haben Astronomen ein Exemplar entdeckt, das Rätsel aufgibt. Denn dieser Gasriese hat etwa die halbe Masse des Jupiter, umkreist aber einen echten Winzling – einen Roten Zwergstern von nur zwölf Prozent der Masse unserer Sonne. Wie ein solcher Zwerg einen so schweren Planeten und wahrscheinlich sogar noch einen oder zwei weitere solcher Gasriesen produzieren konnte, ist unklar. Denn das gängige Modell der allmählichen Akkretion von Materie und Gas passt hier nicht, wie die Forscher betonen. Möglich wäre aber ein alternatives Szenario.

Astronomen haben bisher schon mehr als 4000 Exoplaneten entdeckt – und fast täglich kommen neue hinzu. Viele von ihnen sind heiße Jupiter – Gasriesen, die sehr eng um sonnenähnliche Muttersterne kreisen. Bei den deutlich kleineren Roten Zwergsternen finden sich dagegen meist masseärmere Planeten, oft Supererden oder Gasplaneten von der Größe des Neptun. Gängiger Theorie nach entstehen die meisten Planeten durch eine allmähliche Ansammlung von Staub, kleinen Brocken und dann immer größeren Planetenbausteinen zu Protoplaneten. Auf diese Akkretion fester Bestandteile folgt dann bei den späteren Gasriesen eine Phase, in der die Schwerkraft des mindestens fünf Erdmassen schweren Kerns große Mengen an Gas aus der Urwolke an sich bindet – die Gashülle entsteht. Die Voraussetzung für dieses Szenario ist allerdings, dass die Akkretionsscheibe um einen jungen Stern genügend Materie enthält, um erst die schweren Planetenkerne und dann die Gashülle zu bestücken.

Drei Gasriesen um einen Roten Zwerg

Genau dies macht den nun neu entdeckten Exoplaneten so ungewöhnlich. Entdeckt wurde er mit dem hochauflösenden Spektrografen der CARMENES-Himmelsdurchmusterung am Calar-Alto-Observatorium in Spanien. Juan Carlos Morales vom Institut für Weltraumforschung Kataloniens und seine Kollegen hatten im Rahmen ihrer Studie gezielt nach Exoplaneten um Rote Zwergsterne gesucht. M-Zwerge haben typischerweise Massen von weniger als zwei Dritteln unserer Sonne und sind entsprechend lichtschwach. Im Spektrografen verraten sich Planeten um diese Sterne durch regelmäßige Veränderungen im Spektrum des Sternenlichts, hervorgerufen durch ein winziges Taumeln des Sterns infolge der Schwerkraftwirkung seines Planeten.

Dieses „Taumeln“ haben die Astronomen nun beim rund 30 Lichtjahre von uns entfernten Zwergstern GJ 3512 nachgewiesen, einem Stern, der nur rund 0,12 Sonnenmassen schwer ist. Aus den Spektraldaten ermittelten die Forscher, dass es um GJ 3512 einen Gasriesen von 0,46 Jupitermassen in einer exzentrischen Umlaufbahn geben muss. Für einen Umlauf um seinen Stern benötigt der Planet GJ 3512b rund 204 Tage, der größte Teil seines Orbits ist demnach seinem Stern näher als die Bahn des Merkur der Sonne. Eine undeutliche zweite Signatur im Lichtspektrum von GJ 3512 deutet darauf hin, dass es um diesen Stern sogar noch einen zweiten großen Planeten mit einer Umlaufzeit von 1400 Tagen geben könnte, wie Morales und sein Team berichten. Sie vermuten sogar, dass der Stern einst noch einen dritten Exoplaneten besaß, der aber ausgeschleudert wurde und dabei die exzentrische Bahn von GJ 24512b und die große Lücke zum mutmaßlichen Außenplaneten hinterließ.

Kollaps statt allmähliche Akkretion?

Das aber bedeutet, dass der massearme, kleine Zwergstern zwei, möglicherweise sogar drei Gasriesen besessen haben könnte – das ist sehr ungewöhnlich, wie Morales und seine Kollegen erklären. Denn gängiger Theorie nach ist die Akkretionsscheibe um solche Sterne zu massearm, um mehrerer solcher Gasriesen zu produzieren. „Wir haben für das System GJ 3512 verschiedene Planetenbildungs-Szenarien nach dem Akkretionsmodell durchgespielt – ohne Erfolg“, konstatieren die Astronomen. Denn selbst wenn genügend Rohmaterial vorhanden gewesen wäre, hätte es zu lange gedauert, um einen ausreichend großen Planetenkern plus Gashülle zu generieren. „Ein Ausweg bestünde in einer sehr massereichen Scheibe, die die benötigten Bausteine in ausreichender Menge besitzt“, erklärt Co-Autor Hubert Klahr vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Solch massereiche Scheiben sind bei jungen Zwergsternen allerdings bislang nicht beobachtet worden.

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Die Astronomen haben deshalb ein alternatives Szenario in Betracht gezogen: die Bildung der Gasriesen um GJ 3512 durch einen gravitativen Kollaps. Dabei entstehen die Planeten nicht allmählich durch Akkretion, sondern relativ plötzlich durch eine Art lokaler Implosion der Materiescheibe. Diese wird durch ihre eigene Schwerkraft instabil, fällt in sich zusammen und Gas und Staub kondensieren zu einem festen Planetenkern. Eine Simulation ergab, dass die Planeten um GJ 3512 durch diesen Mechanismus entstanden sein könnten, wie die Forscher berichten. GJ 32512b könnte im kalten Außenbereich der Akkretionsscheibe gebildet worden sein, bevor er dann weiter nach innen in seinen jetzigen Orbit wanderte.

„Bisher waren die einzigen Planeten, deren Bildung mit Scheibeninstabilitäten kompatibel waren, eine Handvoll junger, heißer und sehr massereicher Planeten in großer Entfernung von ihren Wirtssternen“, sagt Klahr. „Mit GJ 3512 b haben wir nun einen außergewöhnlichen Kandidaten für einen Planeten, der über die Instabilität einer Scheibe um einen recht massearmen Stern entstanden sein könnte. Dieser Fund veranlasst uns zur Überprüfung unserer Modelle.“

Quelle: Juan Carlos Morales (Institut d’Estudis Espacials de Catalunya, Barcelona) et al., Science, doi: 10.1126/science.aax3198

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