Die Funde extremer Exoplaneten helfen den Astronomen dabei, die Entstehung ganz normaler Planeten zu verstehen.
Wer sich in Länder südlich des Äquators begibt, sollte auch eine Sternkarte einstecken. Mit ihr kann er sich am Südhimmel auf die Suche nach dem Sternbild Maler (Pictor) machen. Schon mit bloßem Auge findet er dort leicht den 63 Lichtjahre entfernten Stern Beta Pictoris. Und der ist etwas ganz Besonderes: Er besitzt einen Planeten, der erst kürzlich seiner Wiege entstiegen ist. Das Alter von Beta Pic b, so seine offizielle Bezeichnung, schätzen die Forscher auf gerade mal zwölf Millionen Jahre. Damit ist er wahrscheinlich das jüngste Exemplar im Zoo der bekannten extrasolaren Planeten. Beta Pic b ist ein Gasriese von etwa der neunfachen Masse des Jupiters. Anders als fast alle über 460 bekannten „Exoplaneten” wurde er fotografiert. Um ihn von seinem viel helleren Stern zu trennen, bedarf es modernster Hightech, wie sie am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile zur Verfügung steht. Als besonders junges Exemplar ist der Planet noch sehr heiß. Seine Temperatur beträgt schätzungsweise 1200 Grad Celsius. Daher gibt er relativ viel Wärmestrahlung ab und wird bei den infraroten Wellenlängen auch nicht so stark von seinem Zentralstern überstrahlt wie im sichtbaren Licht. Nur aus diesem Grund konnten die Astronomen ihn mehrfach ablichten. Ein erstes Bild stammt bereits aus dem Jahr 2003. Damals war nicht klar, ob der schwache Lichtpunkt nicht vielleicht bloß von einem fernen Hintergrundstern stammt. Doch auf der Website des US-amerikanischen Wissenschaftsmagazins „ Science” publizierte jüngst ein internationales Astronomen-Team Beobachtungen vom Herbst 2009, die wiederum vom VLT stammen. Mit dem Ergebnis: Beta Pic b hat sich mittlerweile auf seiner Umlaufbahn auf die andere Seite seines Sterns bewegt – er ist also tatsächlich ein Planet.
Gasball mit schweren Elementen
Der Baby-Planet kreist in einer Staubscheibe, die sowohl ihn als auch seinen Heimatstern einhüllt. Die gewaltige Scheibe ist mindestens zehnmal so groß wie unser Sonnensystem. Astronomen studieren sie bereits seit mehreren Jahrzehnten. Vermutlich stammt der Staub von Planetesimalen – von Körpern, die sich bei Kollisionen zu Planeten formen. Auch Kometen können die Scheibe mit Staub anreichern, wenn sie dem Stern nahe kommen und dabei aus ihren Schweifen Staubpartikel entweichen.
Einige Details der inneren Scheibenzone, beispielsweise deren asymmetrische Krümmung, hatten die Wissenschaftler schon früher mit Exoplaneten in Verbindung gebracht. Der Nachwuchsplanet, dessen Existenz jetzt feststeht, könnte diese Strukturen hervorgerufen haben. Er kreist in einem ähnlichen Abstand wie der Saturn um unsere Sonne. „Er ist ein vielversprechender Planet, um herauszufinden, wie sich die Gasriesen gebildet haben – auch in unserem Sonnensystem”, freut sich Anne-Marie Lagrange vom Observatoire de Grenoble, die Hauptautorin der Science-Studie.
Bevor 1995 der erste Exoplanet bei einem sonnenähnlichen Stern entdeckt wurde, schneiderten sich die Astrophysiker die Theorie der Planetenbildung auf die Verhältnisse im Sonnensystem zurecht. „Es waren die einzigen Fakten, die zur Verfügung standen”, sagt Exoplaneten-Experte Wolfgang Brandner vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, der an der Science-Publikation nicht beteiligt war. Auch er bewertet den Fund von Beta Pic b als wichtigen Baustein: „Die Theoretiker benötigen die Kenntnis möglichst vieler verschiedener Exoplaneten, um realistische Modelle zu entwickeln, wie sich Planeten bilden.” Nach der gängigen Theorie sollen diese in kurzer Zeit aus Gas- und Staubscheiben entstehen. Noch ist allerdings unklar, ob sich die Gasmassen immer an einen festen inneren Kern von mehreren Erdmassen binden – wie beim Jupiter –, oder ob sich das Gas auch ohne einen solchen Kern zu einem Riesenplaneten zusammenballen kann. Das käme insbesondere für schwere Gasplaneten in großem Abstand zum Zentralstern in Frage.
Nur sehr selten sind die Bedingungen so günstig, dass ein Exoplanet fotografiert werden kann. Bislang gibt es bloß ein Dutzend solcher Fotos. Die meisten Exoplaneten werden indirekt aufgespürt. So halten Astronomen Ausschau nach einer verräterischen Lichtabnahme, wenn ein dunkler Planet vor seinem hellen Heimatstern vorüberzieht (siehe bild der wissenschaft 7/ 2010, „Extrem, exotisch … Exoplaneten”). Sowohl an irdischen Observatorien als auch mit Satelliten-Teleskopen wird nach solchen Transits gesucht. In 827 Kilometer Höhe, wo kein Luftflimmern die Sicht trübt, gerieten vor Kurzem sechs neue Objekte ins Visier der Forscher: Der europäische CoRoT-Satellit („ Convection Rotation and planetary Transits”) hatte sie aufgespürt. Die aktuellen Funde belegen, wie stark sich die Exoplaneten von den vertrauten Planeten unserer Sonne unterscheiden.
Rasante Stürme, höllische Hitze
Unter den Neuzugängen ist CoRoT-13b, ein Gasriese des Typs „ Heißer Jupiter”. Er umkreist seine Heimatsonne auf einer sehr engen Bahn – wie viele andere bekannte Exoplaneten auch. Für einen Umlauf benötigt er nur vier Tage. Doch obwohl sein Durchmesser kaum 90 Prozent der des Jupiters beträgt, hat er die 1,3- fache Masse. In einem Artikel, der bald im Fachblatt „ Astronomy and Astrophysics” erscheint, beziffern Juan Cabrera und über 40 andere Forscher die mittlere Dichte auf 2,34 Gramm pro Kubikzentimeter. Zum Vergleich: Jupiters Dichte beträgt 1,33 Gramm pro Kubikzentimeter. „Der Gehalt an schweren Elementen von CoRoT-13b liegt zwischen 140 und 300 Erdmassen”, schätzen die Astronomen. Die Erklärung solcher Schwergewichte ist eine Herausforderung für die gängigen Theorien zur Planetenentstehung, meint Cabrera, der am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Berlin forscht. Bislang haben die Theoretiker nicht mit so hohen Dichten gerechnet.
Die jüngste Meldung kommt von der niederländischen Universität Leiden. Astronomen um Ignas Snellen haben mit einer neuen spektroskopischen Methode erstmals den Wind in der Hochatmosphäre eines Exoplaneten gemessen. Ihr Studienobjekt liegt im Sternbild Pegasus, sein Katalogname ist HD 209458b. Der 150 Lichtjahre von der Erde entfernte Planet ist ebenfalls ein Heißer Jupiter. Wahrscheinlich fesseln ihn Gezeitenkräfte an seinen Heimat-stern. Das bedeutet: Auf einer Seite des Planeten herrscht immer Tag, dort dürfte es um die 1000 Grad heiß sein. Dagegen ist die andere, vom Stern abgewandte Seite, in ewige kalte Nacht gehüllt. Die meteorologischen Konsequenzen sind gravierend: Mit 5000 bis 10 000 Kilometern pro Stunde stürmen die Gasmassen von der Tag- zur Nachtseite – das entspricht mindestens der halben Schallgeschwindigkeit dort. „Kein Ort für zaghafte Naturen”, kommentiert Snellen den fernen Hexenkessel. ■
von Thorsten Dambeck
