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Ein junger, extrasolarer Planet in seiner kosmischen Krippe

03.01.2008
Heidelberger Astronomen entdecken einen Planeten in der Staubscheibe eines frisch geborenen Sterns

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg haben den jüngsten bisher bekannten Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Seinen Mutterstern umgibt noch jene Gas- und Staubscheibe, aus der er kürzlich geboren wurde. Diese Beobachtung erlaubt wichtige Rückschlüsse auf den zeitlichen Ablauf der Planetenbildung (Nature, 3. Januar 2008).


Auf engster Bahn umläuft der neu entdeckte Riesenplanet seinen jungen, aktiven Zentralstern am inneren Rand seiner zirkumstellaren Scheibe aus Gas und Staub (künstlerische Darstellung). Bild: Max-Planck-Institut für Astronomie


Das Diagramm zeigt die Variation der Radialgeschwindigkeit des Sterns TW Hydrae, gemessen im Frühjahr 2007. Die Messdaten lassen sich durch eine Schwingung mit der Periode 3,56 Tage darstellen, die durch den Umlauf des Riesenplaneten erzeugt wird. Bild: Max-Planck-Institut für Astronom

Wie entstehen Planetensysteme? Wie häufig sind sie? Wie sind sie aufgebaut? Wie viele bewohnbare erdähnliche Planeten gibt es in unserer Milchstraße? Während des vergangenen Jahrzehnts sind die Astronomen den Antworten auf diese Fragen deutlich näher gekommen. Mit der Entdeckung des ersten Planeten, der einen anderen Stern als die Sonne umkreist, hat im Jahre 1995 die systematische Erforschung extrasolarer Planetensysteme begonnen.

Bis heute, nur zwölf Jahre später, haben die Wissenschaftler mehr als 250 extrasolare Planeten entdeckt. Auch eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Astronomie sucht nach diesen Himmelskörpern und studiert sie. Da Planeten nahe bei einem hellen Stern wie Glühwürmchen neben einem Flutlichtstrahler erscheinen, lassen sie sich meist (noch) nicht direkt beobachten. Die Astronomen müssen deshalb auf eine indirekte Nachweismethode ausweichen.

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Planeten umkreisen ihren Mutterstern und "zerren" dabei mit ihrer Gravitation an ihm in periodisch wechselnder Richtung. Dadurch variiert die Geschwindigkeit des Sterns in der Sichtlinie zu uns: Einmal kommt er ein Stück auf uns zu, dann läuft er von uns weg. Im ersten Fall werden die Lichtwellen des Sterns "gestaucht" (Blauverschiebung), im zweiten Fall werden sie "gedehnt" (Rotverschiebung). Diese, durch den Dopplereffekt hervorgerufene periodische Verschiebung der Linien im Sternspektrum verrät die Existenz eines Planeten und erlaubt es, die untere Grenze seiner Masse zu bestimmen.

Erfolgreiche Planetenjagd

Bis heute ist diese Methode der Planetenjagd bei Weitem die erfolgreichste. Allerdings wurde bisher noch kein Planet entdeckt, der einen jungen sonnenähnlichen Stern umläuft. Dabei würde gerade die Entdeckung junger Planeten einen wichtigen Schlüssel zur Beantwortung der Fragen liefern, wie und wo Planeten entstehen, und innerhalb welcher Zeiträume dieser Prozess abläuft.

Vor diesem Hintergrund hat eine Arbeitsgruppe des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg seit 2003 die Variation der Radialgeschwindigkeiten von etwa 200 jungen Sternen gemessen, darunter jene des nahen Sterns TW Hydrae. Das Alter dieses Sterns beträgt nur acht bis zehn Millionen Jahre, das ist etwa 1/500 des Alters unserer Sonne. Außerdem ist er - typisch für die jüngsten Sterne - noch von einer zirkumstellaren Scheibe aus Gas und Staub umgeben. Wissenschaftler vermuten seit langem, dass die Planeten in solchen Scheiben neugeborener Sterne entstehen.

Dabei fanden die Heidelberger Astronomen Hinweise auf einen Planeten, der den Stern TW Hydrae am inneren Rand seiner zirkumstellaren Scheibe umkreist (Abb. 1). "Als wir die Variation der Radialgeschwindigkeit von TW Hydrae beobachteten, fanden wir periodische Veränderungen, die auf die Gegenwart eines planetaren Begleiters hindeuten und nicht von Sternflecken herrühren können" (Abb. 2), sagt Johny Setiawan (MPIA), der Leiter des Beobachtungsprogramms. Die Entdeckung erfolgte mit dem Spektrographen FEROS am 2,2-m-Teleskop der Max-Planck-Gesellschaft und der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf La Silla in Chile.

Der neu entdeckte Planet, der TW Hydrae b genannt wird, zählt zu den "Schwergewichten". Er hat etwa die zehnfache Masse des Jupiter, des größten Planeten in unserem Sonnensystem und umläuft seinen Zentralstern in nur 3,56 Tagen in einem Abstand von etwa sechs Millionen Kilometern. Das entspricht vier Prozent des Abstandes der Erde von der Sonne.

Die Aktivität des Zentralsterns ist allerdings für den Nachweis eines neuen Planeten ein kritischer Punkt - besonders dann, wenn es sich um einen jungen Stern handelt, dessen Oberfläche noch heftig brodelt. So können zum Beispiel große Sternflecken (analog zu Sonnenflecken) die für die Anwesenheit eines Planeten charakteristische Variation der Radialgeschwindigkeit vortäuschen. "Um einen Irrtum auszuschließen, haben wir alle Aktivitätsindikatoren bei TW Hydrae besonders gründlich untersucht. Aber ihre Merkmale unterscheiden sich deutlich von der beobachteten Hauptvariation der Radialgeschwindigkeit. Sie sind weniger regelmäßig und haben kürzere Perioden," sagt Ralf Launhardt (MPIA), der verschiedene Programme zur Suche nach Planeten um junge Sterne koordiniert.

Geboren aus Staub und Gas

Planeten bilden sich aus Staub und Gas in einer zirkumstellaren Scheibe unmittelbar nach der Geburt des Zentralsterns. Noch sind nicht alle Aspekte dieses Prozesses verstanden. Die Entdeckung von TW Hydrae b liefert aber wichtige neue Hinweise für Theorien der Planetenentstehung. Bisher wussten die Astronomen, dass die Lebensdauer zirkumstellarer Scheiben im statistischen Mittel zehn bis 30 Millionen Jahre beträgt - diese Zeit steht für die Bildung von Planeten in der Scheibe maximal zur Verfügung. Die Beobachtung von TW Hydrae b liefert erstmals eine echte obere Grenze für die zur Planetenbildung erforderliche Zeit: Seine Entstehung kann nicht länger als acht bis zehn Millionen Jahre gedauert haben, das Alter des Muttersterns. "Dies ist eine der interessantesten Entdeckungen in der Erforschung extrasolarer Planeten," sagt Thomas Henning, Direktor der Abteilung Planeten- und Sternentstehung am Max-Planck-Institut für Astronomie: "Damit ist uns erstmals der direkte Beweis gelungen, dass in einer zirkumstellaren Scheibe tatsächlich Planeten entstehen. Die Entdeckung von TW Hydrae b eröffnet uns die Möglichkeit, die Entwicklung der Scheibe direkt mit dem Ablauf der Planetenentstehung zu verknüpfen." Somit ist TW Hydrae der ideale Prüfstein für numerische Modelle der Bildung von Planeten.

Am Max-Planck-Institut für Astronomie werden gegenwärtig Beobachtungsinstrumente der nächsten Generation entwickelt und gebaut, die extrasolare Planeten auch mit anderen Methoden aufspüren sollen: direktes Abbilden, Messung der (winzigen!) scheinbaren Bewegung des Sterns am Himmel (Astrometrie) und die Messung der Helligkeitsveränderung des Sterns, wenn der Planet vor seinem Zentralstern vorbeizieht (Transit-Photometrie). Der Einsatz dieser Instrumente wird in naher Zukunft zur Entdeckung weiterer Planeten führen, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode nicht nachweisbar sind. Aus der sich dabei ergebenden Vielfalt der Planetensysteme wird sich ein besseres Verständnis der Planetenentstehung ergeben. Dann werden wir unser eigenes Sonnensystem in einen universellen Kontext setzen können, und eines Tages wird sich die Frage beantworten lassen: "Sind wir allein im Universum?"

Originalveröffentlichung:

J. Setiawan, Th. Henning, R. Launhardt, A. Müller, P. Weise, M. Kürster
A young massive Planet in a star-disk system
Nature, 3. Januar 2008

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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