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Ungewöhnliches Planetensystem um schnell rotierenden Stern wirft Fragen zur Planetenentstehung auf

06.07.2017

Astronomen haben einen seltenen warmen, massereichen jupiterartigen Planeten entdeckt, der einen extrem schnell rotierenden Stern umkreist. Die Entdeckung wirft Fragen zur Entstehung von Planeten im allgemeinen auf – weder seine vergleichsweise geringe Masse noch seine große Entfernung vom Stern entspricht den Erwartungen der Modelle zur Planetenentstehung. Nur für einen Bruchteil der bekannten Planeten um andere Sterne gibt es wie hier eine direkte Abbildung. Die Beobachtungen wurden mit dem Instrument SPHERE am Very Large Telescope der ESO durchgeführt. Die Ergebnisse werden jetzt in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Frei nach Isaac Asimov kündigt sich wissenschaftlicher Fortschritt nicht mit "Eureka!" sondern eher mit "Hm, das ist sonderbar..." an. Das neu entdeckte Planetensystem HIP 65426 ist ein Beispiel dafür: mit einem extrem schnell rotierenden Zentralstern, dem Fehlen der Gasscheibe, die man für ein nur 14 Millionen Jahre altes System erwarten würde, und mit einem vergleichsweise massearmen, weit vom Stern entfernten Planeten widerspricht HIP 65426 einer ganzen Anzahl astronomischer Erwartungen. Wie konnte ein solch ungewöhnliches System überhaupt entstehen?


Abbildung des Planeten HIP 65426 (links unten), aufgenommen mit dem SPHERE-Instrument. SPHERE blendet dabei das Licht des Zentralsterns in der Bildmitte aus (eingezeichneter Kreis).

Bild: Chauvin et al. / SPHERE

Allgemein entstehen Planeten in riesigen Scheiben aus Gas und Staub, die junge Sterne umgeben. In den jungen Planetensystemen, die man bislang kennt, inklusive einer Reihe von Beobachtungen mit dem SPHERE-Instrument, sind die Reste dieser Scheiben nach wie vor sichtbar. Außerdem besteht üblicherweise ein Zusammenhang zwischen den betreffenden Massen: massereiche Sterne haben typischerweise massereichere Scheiben, in denen sich dann auch massereichere Planeten bilden. HIP 65426b, der Planet der jetzt neu bei dem Stern HIP 65426, passt nicht in dieses Muster.

Die Entdeckung von HIP 65426b gelang einer Astronomengruppe, zu der auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie gehören, mit dem SPHERE-Instrument am Very Large Telescope am Paranal-Observatorium der ESO in Chile. Dazu erstellten die Astronomen eine direkte Abbildung des Planeten. Der Zentralstern, HIP 65326, ist Mitglied in einer Art Sternenkindergarten: der Scorpius-Centaurus-Assoziation mit 3000 bis 5000 ungefähr gleich alten Sternen, fast 400 Lichtjahre von der Erde entfernt. Wendet man astronomische Altersbestimmungs-Techniken auf HIP 65426 und seine unmittelbaren Nachbarn an, dann erhält man für den Stern ein Alter von nur rund 14 Millionen Jahren.

Gael Chauvin von der Universität Grenoble und der Universidad de Chile in Santiago, Erstautor der Studie, sagt: "Wir würden erwarten, dass ein so junges Planetensystem noch seine Staubscheibe besitzt, die man in den Beobachtungen dann auch sehen sollte. Aber soweit wir sehen können, besitzt HIP 65426 keine solche Staubscheibe – ein erstes Anzeichen dafür, dass das System nicht so recht zu den klassischen Modellen der Planetenentstehung passt."

Dann ist da noch der Planet HIP 65426b. Im Vergleich der Beobachtungen mit entsprechenden Modellen dürfte es sich um einen jupiterähnlichen Planeten handeln, mit einer Temperatur zwischen 1300 und 1600 Kelvin (1000 und 1300 Grad Celsius), dem anderthalbfachen Jupiterradius und zwischen sechs und zwölf Mal der Jupitermasse. HIP 65426b wäre damit wie Jupiter ein Gasriese, mit einem festen Kern, umgeben von dicken Gasschichten. Untersuchungen mit dem zu SPHERE gehörigen Spektrografen deuten auf die Anwesenheit von Wasserdampf und rötlichen Wolken hin, ähnlich wie bei Jupiter. Der Planet hat eine große Entfernung vom Zentralstern, nämlich rund 100 astronomische Einheiten (vereinfacht: 100 Mal der Abstand Erde-Sonne), vier Mal soviel wie der Planet Neptun in unserem Sonnensystem.

Auch das ist auf unterschiedlichen Ebenen sonderbar. Sterne vom gleichen Typ wie HIP 65426 (Spektralklasse A2V) haben rund das Doppelte der Sonnenmasse. Lange ist angenommen worden, dass ein solcher massereicher Stern deutlich größere Riesenplanten um sich haben solle als die sechs bis zwölf Jupitermassen von HIP 65426b. Riesenplaneten solch eines Sterns würden Astronomen auch nicht so weit draußen vermuten wie in diesem Falle.

Nicht zuletzt hat auch der Zentralstern eine ungewöhnliche Eigenschaft. Aus Spektren, die mit dem HARPS-Spektrografen der ESO aufgenommen wurden, kann man erschließen, dass er rund 150 Mal so schnell um seine eigene Achse rotiert wie die Sonne. Bislang kennen Astronomen nur einen einzigen weiteren Stern dieses Typs, der derart schnell rotiert, und dieser weitere Stern ist Teil eines Doppelsternsystems. Bei einem Doppelstern kann sich die Rotation eines der Sterne mehr und mehr beschleunigen, wenn er Materie des anderen Sterns auf sich zieht. Wie ein einzelner Stern zu so hoher Drehgeschwindigkeit kommen konnte, ist erklärungsbedürftig.

Bislang können die Astronomen nur vermuten, wie die ungewöhnlichen Eigenschaften des Systems zustande gekommen sind. Ein mögliches Szenario entspräche einem regelrechten Planetensystem-Drama: Der Planet HIP 65426b hätte sich deutlich näher an seinem Zentralstern gebildet als es seinem jetzigen Abstand entspricht (was seine geringe Masse erklärt), und noch ein weiteres massereiches Objekt wäre in dem System entstanden. Später wären sich die beiden Objekte so nahe gekommen, dass HIP 65426b nach außen geschleudert worden wäre (was seinen großen Abstand zum Zentralstern erklärt). Der andere Körper wäre nach innen geschleudert worden und mit dem Stern verschmolzen (was dessen rasche Rotation erklären kann). Die quer durch das System geschleuderten Körper könnten die Scheibe destabilisiert haben und so erklären, warum die Scheibe nicht mehr zu beobachten ist.

Eine Alternative wäre, wenn sowohl der Stern als auch sein Planet durch die Fragmentierung ein und derselben Materiewolke entstanden wäre – womit zu erklären bliebe, warum die protoplanetare Scheibe des Systems so kurzlebig war, dass sie nicht mehr zu beobachten ist.

Zuverlässigere Erklärungen wird es erst geben, wenn weitere Beobachtungen und Simulationen durchgeführt sind. Das Ergebnis dürfte auch unser allgemeineres Verständnis dafür verbessern, wie Gasriesen entstehen, sich entwickeln und möglicherweise innerhalb des Planetensystems migrieren. Das wiederum ist von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis der Entstehung von Planetensystemen im Allgemeinen: vom Zentralstern abgesehen steckt die meiste Masse eines Planetensystem in solchen Gasriesen, deren Anwesenheit und Eigenschaften auch die Entstehung ihrer masseärmeren Verwandten beeinflussen, etwa von erdähnlichen Planeten und Supererden.

Für das SPHERE-Team ist die Entdeckung noch aus einem anderen Grunde wichtig: Dies ist der erste Planet, der mit SPHERE entdeckt wurde. MPIA-Direktor Thomas Henning, einer der Väter von SPHERE und Koautor der hier beschriebenen Studie, fügt hinzu: "Direkte Abbildungen von Exoplaneten sind nach wie vor sehr selten, aber sie enthalten eine Fülle von Informationen über Planeten wie HIP 65426b. Die Untersuchung des Lichts, das wir von dem Planeten empfangen, erlaubt es uns, verlässliche Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Planetenatmosphäre zu ziehen." Abbildungen gibt es nur für weniger als 20 der rund 3600 bislang bekannten Exoplaneten; die üblichen Nachweisverfahren sind indirekt und nutzen aus, wie die Anwesenheit des Planeten das Licht des Zentralsterns beeinflusst. Abbildungen eines fernen Planeten aufzunehmen ist schwierig, da der Planet vom Licht seines Zentralsterns komplett überstrahlt wird. SPHERE ist so konstruiert, dass das Instrument so gut wie möglich das Licht des Zentralsterns ausblenden und so Bilder und Spektren seiner Planeten aufnehmen kann. Bislang sind solche Abbildungen die einzige Möglichkeit, Planeten nachzuweisen, die weit von ihrem Zentralstern entfernt sind – Planeten wie das ungewöhnliche Exemplar HIP 65426b.

Kontakt

Dr. Markus Feldt (SPHERE-Co-PI)
Max-Planck-Institut für Astronomie
06221 528-262
feldt@mpia.de

Prof. Dr. Thomas Henning
Max-Planck-Institut für Astronomie
06221 528-200
henning@mpia.de

Dr. Markus Pössel (Öffentlichkeitsarbeit)
Max-Planck-Institut für Astronomie
06221 528-261
pr@mpia.de

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden veröffentlicht als G. Chauvin et al., "Discovery of a warm, dusty giant planet around HIP 65426" in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics.

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Markus Feldt, Beth Biller (auch University of Edinburgh), A.-L. Maire, J. Olofsson (auch Universidad de Valparaíso), M. Samland, M. Janson (auch Universität Stockholm), M. Keppler, G. D. Marleau (auch Universität Bern), Paul Mollière, Christoph Mordasini (auch Universität Bern), A. Müller, Thomas Henning, O. Möller-Nilsson, A. Pavlov, J. Ramos, Wolfgang Brandner, Taisyia Kopytova (auch University of Arizona) und J. Schlieder (auch NASA Goddard Space Flight Center).

Das SPHERE–Konsortium besteht aus zwölf großen europäischen Astrophysik-Instituten und weiteren Partnern. Leitendes Institut (PI-Institut) ist das Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (Frankreich) mit Jean-Luc Beuzit als PI und Markus Feldt vom MPIA als Co-PI. Die Planetenkamera SPHERE wurde für das Very Large Telescope der ESO gebaut. Die beteiligten Institute sind das Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble; das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg; das Laboratoire d’Astrophysique de Marseille; das Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique de l’Observatoire de Paris; das Laboratoire Lagrange in Nice; ONERA; das Observatoire de Genève; das Italienische Nationalinstitut für Astrophysik, koordiniert durch das Osservatorio Astronomico di Padova; Institut für Astronomie der ETH Zurich; das Astronomische Institut der Universität Amsterdam, die Netherlands Research School for Astronomy (NOVA-ASTRON) und die ESO.

Weitere Informationen:

http://www.mpia.de/aktuelles/wissenschaft/2017-08-hip65426 - Online-Version der Pressemitteilung
https://arxiv.org/abs/1707.01413 - E-Print des Fachartikels auf arXiv

Dr. Markus Pössel | Max-Planck-Institut für Astronomie

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