Ein seltsames Schwergewicht im Visier: Astronomen haben einen Exoplaneten entdeckt, den sie als den freigelegten Kern eines Gasriesen interpretieren: Entweder hat er seine Hülle im Lauf seiner Geschichte verloren oder er konnte durch bestimmte Umstände keine massive Gasatmosphäre hervorbringen. Weitere Untersuchungen des „nackten“ Himmelskörpers könnten somit Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Kerne von Gasplaneten wie Jupiter ermöglichen, sagen die Wissenschaftler.
Ins Netz gegangen ist der Planet TOI 849 b dem internationalen Astronomen-Team um David Armstrong von der University of Warwick durch die sogenannte Transitmethode. Er stand im Fokus des Satelliten „TESS“ der NASA, der den leichten Helligkeitsabfall im Licht eines Sterns erfassen kann, den ein vor diesem vorüberziehender Planet erzeugt. Der Planet TOI 849 b kreist den Ergebnissen zufolge um einen von der Erde etwa 730 Lichtjahre entfernten Stern, der unserer Sonne sehr ähnlich ist. Einige ungewöhnliche Merkmale des Planeten erregten allerdings die besondere Aufmerksamkeit der Astronomen und so nahmen sie TOI 849 b immer genauer ins Visier.
Erstaunlich sternnah und dicht
Den Daten zufolge ist er etwa so groß wie der Neptun in unserem Sonnensystem, umkreist seinen Mutterstern allerdings sehr eng: In nur 18 Stunden saust er einmal um das Zentrum dieses Systems. Seine Oberflächentemperatur beträgt dabei etwa 1500 Grad Celsius. Wie die Wissenschaftler erklären, befindet sich TOI 849 b überraschenderweise in der sogenannten „Neptunwüste“. Mit diesem Begriff wird die Region in der Nähe von Sternen bezeichnet, in der kaum Planeten mit der Masse des Neptuns vorkommen. Eine besondere Überraschung ergab zudem die Masseneinschätzung des Exoplaneten. Dabei nutzten die Forscher den Doppler-Effekt: Rückschlüsse auf die Masse sind möglich, indem das „Wackeln“ des Muttersterns des Exoplaneten gemessen wird, das durch seine Gravitationskraft beim Umlauf verursacht wird.
So zeigte sich: TOI 849 b ist etwa 40-mal schwerer als die Erde, sein Radius beträgt aber nur 3,4 Erdradien. Damit muss dieser Himmelskörper eine ungewöhnlich hohe Dichte aufweisen. „Der Planet befindet sich seltsam nah an seinem Stern, wenn man diese Masse betrachtet. Anders gesagt: Es sind keine Planeten mit dieser Masse bekannt, die eine so kurze Umlaufzeit um ihren Stern haben“, sagt Armstrong. Die extreme Dichte des Planeten ist den Forschern zufolge nur dadurch zu erklären, dass TOI 849 b vor allem aus Eisen, Gestein und Wasser besteht, aber nur zu einem sehr geringen Anteil aus Wasserstoff und Helium.
„Für einen so massereichen Planeten ist eine so hohe Dichte, beziehungsweise ein so kleiner Anteil an Wasserstoff und Helium höchst erstaunlich“, betont Co-Autor Christoph Mordasini von der Universität Bern. „Denn bei einer solchen Masse würde man erwarten, dass der Planet während seiner Entstehung in der protoplanetaren Scheibe viel Wasserstoff und Helium angezogen hat“, so der Wissenschaftler. Die plausibelste Erklärung lautet deshalb: „Die Tatsache, dass diese Gase nicht vorhanden sind, lässt darauf schließen, dass es sich bei TOI 849 b um einen exponierten Planetenkern handelt“, sagt Armstrong.
Gasschale: Verloren oder nie gebildet
Die Wissenschaftler führten anschließend Modellsimulationen durch, um zu untersuchen, wie der Planet sich entwickelt haben könnte. „Wir kombinierten dabei Erkenntnisse zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen“, sagt Mordasini. So kamen die Forscher zu möglichen Erklärungen, warum TOI 849 b keine dicke Gashülle besitzt, sondern einen freiliegenden Planetenkern repräsentiert. „Möglicherweise war der Exoplanet einst dem Jupiter ähnlich, verlor dann aber durch verschiedene Einflüsse fast das gesamte äußere Gas“, sagt Mordasini. Dies könnte durch Gezeitenkräfte infolge des extrem nahen Umlaufs um den Stern ausgelöst worden sein oder durch eine Kollision mit einem anderen Planeten. Die Verdampfung der Atmosphäre könnte auch eine Rolle gespielt haben – sie kann aber nicht alleine für das gesamte verlorene Gas verantwortlich gewesen sein, sagen die Wissenschaftler.
Bei TOI 849 b könnte es sich ihnen zufolge allerdings auch um einen „gescheiterten“ Gasriesen handeln: „Nachdem sich der Kern einmal gebildet hatte, könnte etwas gänzlich anders gelaufen sein als normalerweise, und der Kern hat nie eine massive Atmosphäre gebildet, wie sonst üblich“, so Mordasini. Wie er erklärt, hätte dies passieren können, wenn sich während der Bildung in der protoplanetaren Scheibe eine Lücke im Gas gebildet hat. „Oder wenn das Material in der Scheibe gerade zu der Zeit ausgegangen ist, in der normalerweise die Gasakkretion erfolgt“, so Mordasini.
Was auch immer die Ursache war – die Studie zeigt nun erstmals, dass Planeten existieren und identifizierbar sind, bei denen es sich um freigelegte Kerne handelt, sagen die Astronomen. “Wir haben nun die Möglichkeit, den Kern eines Planeten auf eine Weise zu betrachten, wie es in unserem eigenen Sonnensystem nicht möglich ist“, sagt Armstrong. „Es gibt beispielsweise noch immer große offene Fragen zu den Merkmalen des Jupiterkerns“, betont der Wissenschaftler.
Bisher gibt es zwar noch keine Informationen über die chemische Zusammensetzung von TOI 849 b, doch neue Teleskope könnten dies bald ändern. Hinweise könnten sich dabei durch die Untersuchung der Reste der Atmosphäre des Planeten ergeben, die sich anhand des durchscheinenden Sternenlichts analysieren lässt. „Da TOI 849 b so nahe an seinem Stern ist, muss die verbleibende Atmosphäre um den Planeten ständig aus dem Kern nachgefüllt werden. Wenn wir also diese Atmosphäre untersuchen können, können wir einen Einblick in die Zusammensetzung des Kerns gewinnen“, sagt Armstrong.
Quelle: University of Warwick, Universität Bern, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2421-7
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