Gasriesen um Roten Zwergstern widersprechen gängigem Modell der Planetenbildung Ein Zwergstern umgeben von Riesen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Ein Zwergstern umgeben von Riesen

Gasriesen um Roten Zwergstern widersprechen gängigem Modell der Planetenbildung

Roter Zwerg mit Planeten
Ein Roter Zwergstern mit gleich zwei Gasriesen widerspricht gängigen Modellen der Planetenbildung. © NASA/ JPL-Caltech

„Unmögliche“ Planeten: Astronomen haben ein nahes Planetensystem entdeckt, dass es eigentlich nicht geben dürfte. Denn dort umkreisen wahrscheinlich gleich zwei Gasriesen einen echten Winzling – einen Roten Zwergstern von knapp einem Achtel der Sonnenmasse. Das Ungewöhnliche daran: Nach gängigen Modellen kann die Materiescheibe eines solchen Zwerg keine so großen Planeten hervorbringen. Wie aber sind sie dann entstanden?

Drei Viertel aller Sterne in unserer Milchstraße sind Rote Zwerge – kühle, lichtschwache Sterne mit deutlich geringerer Masse als unsere Sonne. Sie gelten als besonders aussichtsreiche Kandidaten für Planetensysteme mit erdähnlichen Welten. Allein in unserer kosmischen Nachbarschaft haben Astronomen zahlreiche solcher Erdzwillinge um Rote Zwerge entdeckt, unter anderem um Barnards Stern, Ross 128 und auch unseren nächsten Nachbarstern Proxima Centauri.

Verräterisches Taumeln

Jetzt jedoch haben Astronomen um Juan Carlos Morales vom Institut für Weltraumforschung Kataloniens einen Roten Zwerg entdeckt, der aus der Reihe tanzt. Der rund 30 Lichtjahre entfernte Stern GJ 3512 ähnelt zwar auf den ersten Blick unserem nächsten Nachbarstern Proxima Centauri: Er ist lichtschwach, kühl und hat nur rund zwölf Prozent der Sonnenmasse.

Doch als die Forscher das Lichtspektrum dieses Zwergsterns mit dem CARMENES- Spektrografen am Calar-Alto-Observatorium in Spanien näher untersuchten, stießen sie auf etwas Ungewöhnliches: Regelmäßige Verschiebungen der Spektraldaten verrieten, dass GJ 3512 mindesten einen großen Exoplaneten besitzen muss – wahrscheinlich sogar gleich zwei. Deren Schwerkrafteinfluss bringt den Stern leicht zum Taumeln und das wiederum erzeugt die periodischen Verschiebungen im Spektrum.

GJ 3512 im Vergleich
Der Gasriese GJ 3512b ist etwa so weit von seinem Stern entfernt wie der Merkur im Sonnensytem. Andere Rote Zwerge dagegen besitzen sehr viel engere und kleinere Planetensysteme. © Guillem Anglada-Escude/IEEC, SpaceEngine.org

Zwei Riesen um einen Winzling

Der innere Planet um den Zwergstern, GJ 3512b, hat knapp die Hälfte der Jupitermasse und benötigt für einen Umlauf rund 204 Tage. Der zweite Planet ist wahrscheinlich ähnlich schwer und umkreist den Stern in 1.400 Tagen, wie die Astronomen berichten. Wegen der exzentrischen Umlaufbahn von GJ 3512b und der großen Lücke zwischen den beiden Gasriesen vermuten die Forscher, dass es einst sogar noch einen dritten, später ausgeschleuderten Planeten gegeben haben könnte.

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Damit ist GJ 3512 ziemlich ungewöhnlich – und ein echter Ausnahmefall. Denn bisher haben Astronomen erst extrem wenige Gasriesen um Rote Zwerge entdeckt. Diese jedoch waren meist allein und umkreisten ihren Stern sehr nah. Und schon sie sorgten wegen des ungewöhnlichen Masseverhältnisses von Stern und Planet für Überraschung bei den Astronomen.

Widerspruch zur gängigen Theorie

Doch der schmächtige Rote Zwerg GJ 3512 muss sogar gleich zwei, möglicherweise drei massereiche Gasriesen in seiner Urwolke hervorgebracht haben. Das Ungewöhnliche daran: Gängiger Theorie nach umfasst die Materiescheibe um junge Rote Zwerge gar nicht genug Rohmaterial für so massereiche Planeten. Denn damit ein Gasriese entsteht, muss zunächst der feste Planetenkern durch Akkretion von Staub und Gesteinsbrocken bis auf rund fünf Erdmassen heranwachsen. Dann bindet seine Schwerkraft große Mengen an Gas aus der Urwolke an sich.

Aber bei GJ 3512 passt dieses Szenario nicht: „Wir haben für das System GJ 3512 verschiedene Planetenbildungs-Szenarien nach dem Akkretionsmodell durchgespielt – ohne Erfolg“, konstatieren die Astronomen. Selbst wenn genügend Rohmaterial vorhanden gewesen wäre, hätte es zu lange gedauert, um einen ausreichend großen Planetenkern plus Gashülle zu generieren.

Kollaps statt Akkretion?

Wie aber sind diese Gasriesen dann entstanden? Eine Möglichkeit wäre der Prozess, durch den auch junge Sterne entstehen: durch einen gravitativen Kollaps in der Urwolke. Dabei entstehen die Planeten nicht allmählich durch Akkretion, sondern relativ plötzlich durch eine lokale Implosion der Materiescheibe. Diese wird durch ihre eigene Schwerkraft instabil, fällt in sich zusammen und Gas und Staub kondensieren zu einem festen Planetenkern.

Dieser Mechanismus wird schon länger als alternatives Entstehungsszenario für Gasriesen diskutiert. Auch der Jupiter galt einige Zeit lang als möglicher Kandidat dafür. Doch eindeutige Beispiele für durch Kollaps entstandene Planeten gibt es bisher kaum. Die beiden Gasriesen um GJ 3512 können nun jedoch ein solches Fallbeispiel darstellen, wie Morales und seine Kollegen erklären. Denn ihrer Modellsimulation zufolge wäre eine Bildung der großen Gasplaneten um GJ 3512 über einen solchen Kollaps möglich gewesen.

Kaltes Gas und nachträgliche Wanderung

Nach dem Szenario der Astronomen muss der Ursprung des inneren Planeten GJ 3512b zehnmal weiter außen liegen als seine jetzige Umlaufbahn. In dieser Entfernung vom Stern war die Materiescheibe kalt genug, um Gas und Staub durch die eigene Schwerkraft kollabieren zu lassen. Sobald dann der junge Planet entstanden war, veränderte er seine Position und wanderte weiter nach innen – ähnlich wie es auch der Jupiter einst in unserem Sonnensystem tat.

Ob allerdings die Gasriesen um den Roten Zwerg GJ 312 wirklich auf diese Weise entstanden sind, lässt sich damit nicht beweisen. Dennoch sehen die Astronomen dieses Planetensystem als weiteres Indiz dafür, dass das gängige Akkretionsmodell nicht alle Planetenbildungen erklären kann. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aax3198)

Quelle: Science, Max-Planck-Institut für Astronomie

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