Planet GJ 3512b ist zu dick

Wie entstehen Himmelskörper? Ein neu entdeckter Planet wirft die gängige Theorie über den Haufen. «Das hat alle überrascht», sagt ein Schweizer Forscher.

In unserem Sonnensystem ist ein Gasriese wie Jupiter zu erwarten, nicht aber beim Zwergstern GJ 3512. Foto: Nasa, ESA

In unserem Sonnensystem ist ein Gasriese wie Jupiter zu erwarten, nicht aber beim Zwergstern GJ 3512. Foto: Nasa, ESA

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Eine einfache Regel der Astronomie besagt: Grosse Planeten wie Jupiter entstehen um grosse Sterne wie die Sonne. Entsprechend sollten kleine Sterne auch nur von kleinen Planeten begleitet werden. Da der rote Zwergstern GJ 3512 gerade mal ein Zehntel der Sonnenmasse auf die Waage bringt, sollte er von Planeten in der Grösse der Erde, allenfalls von etwas massereicheren Supererden umrundet werden. Niemals aber sollten sich dort Objekte wie der Gasriese Jupiter tummeln, der mehr als 300-mal so schwer ist wie die Erde.

Das Problem mit dieser Regel: Sie ist in diesem Fall offensichtlich falsch. Das berichtet ein internationales Team von rund 180 Astronomen im Fachmagazin «Science». Die Forscher haben beim Zwergstern GJ 3512 einen Planeten entdeckt, der erheblich massereicher ist, als es die gängige Theorie erlaubt. GJ 3512b, wie der vom spanisch-deutschen Forschungskonsortium Carmenes entdeckte Planet lautet, ist in etwa halb so schwer wie Jupiter. «Dass es dieses Objekt überhaupt gibt, hat alle überrascht», sagt Christoph Mordasini von der Universität Bern, Mitglied des nationalen Forschungsschwerpunkts «PlanetS» und Co-Autor der Studie.

Nach der gängigen Vorstellung bilden sich Planeten aus einer Gasscheibe, die einen jungen Stern als Überbleibsel der Sternentstehung umgibt. Die Scheibe macht in der Regel rund 1 Prozent der Masse des Sterns aus. Ein grosser Stern hat folglich eine recht massive «protoplanetare» Gasscheibe, ein kleiner Stern eine mit entsprechend geringerer Masse.

Planetenkern von 10bis 15 Erdmassen

Mit der Zeit kondensiert das Gas in der Scheibe zu kleinen Partikeln, die wiederum zu sogenannten Planetesimalen verkleben – den Grundbausteinen der Planeten. Die Planetesimale wachsen durch Kollisionen weiter an. Damit nicht nur ein Gesteinsplanet wie die Erde, sondern ein grosser Gasplanet wie Jupiter entsteht, müssen sich auf diese Weise relativ rasch Planetenkerne von 10 bis 15 Erdmassen aufbauen und zwar noch bevor sich das Gas in der Scheibe zu sehr ausdünnt. Denn erst mit dieser Masse sind die Kerne schwer genug, um Gas aus der Umgebung anzuziehen. «Mit entsprechenden Annahmen über die Scheibe können wir mit unserem Modell berechnen, wie viele Planeten welcher Grösse wahrscheinlich entstehen», sagt Mordasini.

Diese sogenannte Akkretionstheorie hat bisher bestens funktioniert, für grosse, sonnenähnliche Sterne sowieso, aber auch für kleinere Sterne mit etwa 10 Prozent Sonnenmasse. Diese roten Zwerge haben Astronomen erst seit wenigen Jahren im Fokus, da sie nur sehr schwach leuchten und das vorwiegend im Infrarotlicht. Damit man Planeten auch um diese kleinen Sterne detektieren kann, hat man in den vergangenen Jahren spezielle Instrumente gebaut. Eines davon ist der Infrarot-Spek­trograf Carmenes, der auf dem Observatorium Calar Alto in Südspanien installiert ist.

Zwei Planetensysteme um Zwergsterne waren bislang bekannt. Eines um den sonnennächsten Stern Proxima Centauri in gut vier Lichtjahren Ent­fernung, ein weiteres um den 40 Lichtjahre entfernten Trappist. «Beide Sterne haben Planeten mit ungefähr Erdmasse, wie es sich eigentlich auch gehört», sagt Mordasini. «Man dachte: Super, das passt gut zu dem, was wir theoretisch erwarten.»

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Doch dann detektierte Carmenes in rund 30 Lichtjahren Entfernung den Planeten GJ 3512b. Wegen der unerwarteten Entdeckung kontaktierte das Carmenes-Konsortium die Berner Forschergruppe um Mordasini, die zu den führenden Experten in der Theorie der Planetenentstehung gehört. Doch egal, wie Mordasini und Kollegen anderer Forschungsinstitute die Parameter in ihren Modellen auch justierten, im Rahmen der Akkretionstheorie konnten sie den Riesenplaneten nicht erzeugen. «Die protoplanetare Scheibe hatte zu wenig Masse, um rechtzeitig einen Kern von zehn Erdmassen aufzubauen», sagt Mordasini.

Entstand der Gasriese vielleicht durch einen ganz anderen, schnelleren Prozess? «Wie es scheint, lief die Planetenentstehung um diesen Stern ausgesprochen effektiv und heftig ab», schreibt der Astronom Greg Laughlin von der Yale Univer­-sity in einem Begleitartikel in «Science». Die Beobachtungen deuteten sogar noch auf die Existenz eines zweiten, mindestens ebenso grossen Planeten hin, der den Stern in grösserer Entfernung umkreist.

Gasscheibe unter eigener Schwerkraft kollabiert

Schnell und heftig bilden sich Planeten beim Kollapsmodel. Dabei kollabiert das Gas in der Scheibe lokal unter seiner eigenen Schwerkraft direkt zu einem grossen Gasplaneten, ganz ohne den langwierigen Aufbau eines Planetenkerns durch Akkretion von Planetesimalen. «Beide Theorien gibt es schon lange», sagt Mordasini. «Aber da das Akkretionsmodell so erfolgreich war, wurde das Kollapsmodell nicht gross beachtet.»

Damit es zu einem direkten Kollaps unter der eigenen Schwerkraft kommt, muss die protoplanetare Gasscheibe allerdings massiv genug sein. «Bei einem kleinen Stern müssen wir annehmen, dass diese Scheibe nicht nur 1 Prozent, sondern 10 bis 30 Prozent der Sternmasse beträgt», sagt Mordasini. Zudem müsse die Scheibe sehr gross und kühl sein. Dann hätte es wenig Kräfte, die der Gravitation entgegenwirkten. «Unter diesen Voraussetzungen kann die Gasscheibe auch bei kleineren Sternen schnell genug zu einem Gasriesen wie GJ 3512b kollabieren.» Wie Laughlin kommentiert, biete das Kollapsmodell in der Tat einen attraktiven Mechanismus, um die Entstehung von GJ 3512b zu erklären.

Laut Mordasini hätte sich die Fachwelt wohl etwas vorschnell auf die Akkretion als dominanten Mechanismus der Planetenentstehung festgelegt. Allerdings räumt der Wissenschaftler ein, dass auch das Kollapsmodell im Fall von GJ 3512b noch gewisse Probleme habe. So sei unklar, weshalb der Planet nicht noch weiter angewachsen und noch näher zum Stern gewandert sei. «Beides würde man erwarten, wenn die Gasscheibe genug Masse hat, damit sie unter ihrer Gravitation instabil wird.» Gemäss Laughlin könnte GJ 3512b durch die Wechselwirkung mit anderen Planeten auf seine ungewöhnliche weit vom Stern entfernte Umlaufbahn geschubst worden sein.

Unklar sei auch, wie häufig welcher Prozess – Akkretion oder Kollaps – vorkomme. «Das lässt sich nur durch einen umfassenden Survey entscheiden», sagt Mordasini. «Da wir Sterne mit geringer Masse erst seit wenigen Jahren untersuchen, dürfte es 5 bis 10 Jahre dauern, bis wir statistisch signifikante Aussagen über die Häufigkeit beider Prozesse machen können.»

Erstellt: 27.09.2019, 21:30 Uhr

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