Wenn Zwerge Riesen gebären

Ein Exoplanet fordert aktuelle Modelle zur Entstehung dieser Himmelskörper heraus

Astronomen des CARMENES-Konsortiums haben einen neuen Exoplaneten entdeckt, der nach derzeitigem Wissensstand nicht existieren dürfte. Die Forschungsgruppe unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg fand einen Gasplaneten, dessen Masse im Vergleich zu seinem Mutterstern GJ 3512 ungewöhnlich groß ist. Die Wissenschaftler folgern, dass der Planet wahrscheinlich durch einen gravitativen Kollaps in einer Scheibe aus Gas und Staub entstand, die sich um den damals noch jungen Zwergstern befand. Dies widerspricht dem aktuell weithin akzeptierten Modell der Planetenentstehung, das für das Aufsammeln des umgebenden Gases einen festen Kern benötigt.

Planeten, so glauben die Astronomen, sind ein Nebenprodukt der Entstehung von Sternen. Sie bilden sich in der Scheibe, aus der ihr Mutterstern ebenfalls hervorging. Das vorherrschende Modell für die Planetengeburt basiert auf der Vorstellung, dass sich zunächst ein Objekt aus festen Teilchen in der Scheibe aufbaut. Die Schwerkraft dieses Planetenembryos sorgt dafür, dass sich eine Atmosphäre aus dem umgebenden Gas formiert.

Nun haben Wissenschaftler des CARMENES-Konsortiums unter der Leitung von Juan Carlos Morales, einem Forscher des Institute of Space Studies of Catalonia (IEEC) am Institute of Space Sciences (ICE, CSIC), mit Beiträgen von Diana Kossakowski und Hubert Klahr (MPIA) einen Gasplaneten ähnlich dem Jupiter entdeckt, der diesem Modell widerspricht. Vielmehr scheint es, dass er sich ohne einen festen Kondensationskeim direkt aus der Scheibe entwickelt hat.

Dieser Gasriese, genannt GJ 3512 b, ist zusammen mit seinem Mutterstern GJ 3512 nur 30 Lichtjahre von der Sonne entfernt und hat eine Masse von mindestens der Hälfte des Jupiters. Für einen Umlauf benötigt er 204 Tage. Für sich genommen ist GJ 3512 b nicht außergewöhnlich – wohl aber, dass er sich in einem Orbit um einen roten Zwergstern befindet. GJ 3512 besitzt nur 12 Prozent der Masse unserer Sonne, sodass das Massenverhältnis zwischen dem Stern und dem Planeten höchstens 270 beträgt. Im Vergleich dazu ist die Sonne etwa 1050 mal schwerer als Jupiter. Dieses Detail bereitet den Theoretikern Kopfzerbrechen. Denn die Gas- und Staubscheiben, aus denen sich massearme Sterne wie GJ 3512 bilden, sollten eher wenig Material beinhalten – zu wenig, um Planetenembryos entstehen zu lassen, aus denen sich dann Gasriesen wie GJ 3512 b entwickeln.

„Ein Ausweg bestünde in einer sehr massereichen Scheibe, welche die benötigten Bausteine in ausreichender Menge besitzt“, erklärt Hubert Klahr, der am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie eine Arbeitsgruppe zur Theorie der Planetenentstehung leitet. Wenn jedoch eine Scheibe aus Gas und Staub, die sich um einen Stern befindet, mehr als ungefähr ein Zehntel der Sternmasse besitzt, reicht die Gravitationswirkung des Sterns nicht mehr aus, um die Scheibe stabil zu halten. Die Schwerkraft des Scheibenmaterials selbst macht sich bemerkbar und beeinflusst ihre Struktur. Ein gravitativer Kollaps des Gases wie bei der Entstehung von Sternen ist die Folge. Solch massereiche Scheiben sind bei jungen Zwergsternen allerdings bislang nicht beobachtet worden.

Noch schwieriger wird die Situation dadurch, dass es anscheinend Hinweise für einen zweiten Planeten gibt, der sich in einem weiten Orbit um GJ 3512 befindet. Zusätzlich zu diesen beiden Planeten spricht die stark elliptische Bahn von GJ 3512 b dafür, dass er einst von einem dritten Planeten ähnlicher Masse gravitativ beeinflusst wurde. Dieser mutmaßliche dritte Planet muss dabei jedoch offensichtlich aus dem Planetensystem geschleudert worden sein. Neben GJ 3512 b musste die ursprüngliche Scheibe also Material für mindestens einen weiteren Planeten bereitstellen. Die dafür erforderliche Scheibenmasse liegt damit klar außerhalb der Grenzen der aktuellen Stern- und Planetenbildungsmodelle.

Somit folgerten die Max-Planck-Forscher sowie ihre Kollegen der Universität Lund in Schweden und der Universität Bern, dass das „Core-Accretion-Modell“ nicht in der Lage ist, die Existenz von GJ 3512 b zu erklären. Deswegen hat das Team untersucht, unter welchen Bedingungen das bisher eher vernachlässigte Szenario des gravitativen Kollapses innerhalb einer Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern zur Bildung eines massereichen Planeten führen könnte.

Mit unterschiedlichen Ansätzen kamen die Astronomen zum selben Ergebnis: Tatsächlich hätte GJ 3512 b über diesen Prozess entstehen können. Die Bereiche in der Scheibe jenseits von 1,5 Milliarden Kilometer vom Zentralstern sind mit Temperaturen von etwa -263 Grad Celsius sehr kalt. Dort vermag der thermische Druck die Gravitationswirkung des Materials nicht auszugleichen, sodass sie unter ihrem Eigengewicht kollabiert. Im Anschluss muss der noch junge Planet über große Distanzen auf seine derzeitige Position gewandert sein, die sich in einer Entfernung von deutlich unter 150 Millionen Kilometer vom Zentralstern befindet. Das wiederum verträgt sich mit den aktuellen Modellen der Entwicklung von Planetensystemen.

GJ 3512 b wurde mit dem Spektrografen CARMENES über die Methode der Radialgeschwindigkeiten entdeckt. CARMENES nimmt Spektren im sichtbaren sowie im infraroten Licht auf. „Rote Zwergsterne wie GJ 3512 können sehr aktiv sein und Signale erzeugen, die denen von Planeten ähneln“, sagt Diana Kossakowski vom Max-Planck-Institut für Astronomie, die maßgeblich an der Auswertung der Daten mitwirkte. „Die Infrarotspektren waren wichtig, um zu bestätigen, dass wir tatsächlich einen Planeten gefunden haben.“

„Bisher waren die einzigen Planeten, deren Bildung mit Scheibeninstabilitäten kompatibel waren, eine Handvoll junger, heißer und sehr massereicher Objekte in großer Entfernung von ihren Wirtssternen“, sagt Hubert 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 der Modelle.“

MN / HOR