Astronomen entdecken neuen Planeten im Sternbild Großer Bär

Astronomen der Nikolaus-Kopernikus-Universität in Torun haben im Sternbild Großer Bär einen neuen Planeten entdeckt. Er besitzt die elffache Masse des Jupiters, umkreist seinen Stern in 14 Jahren und hat eine Temperatur von höchstens minus 100 Grad Celsius.

Die Wissenschaftler beschrieben der kosmische Befund im Journal Astronomie & Astrophysik.

Ein unscheinbarer Stern mit einem massereichen Planeten

Die Astronomen haben es mit einem extrem massereichen Exoplaneten zu tun – er hat bis zu elfmal mehr Masse als Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems. Er umkreist seinen Mutterstern in 14 Jahren und ist sechs Astronomische Einheiten von ihm entfernt.

„Wir können einen Planeten nicht sehen, aber wir können den Stern, um den er kreist, erkennen – und zwar mit einem kleinen Teleskop von nur 10 cm. Die physikalischen Parameter des Sterns ähneln denen der Sonne. Die Daten deuten darauf hin, dass er 20 Prozent massereicher und doppelt so groß wie die Sonne ist. Interessanterweise hat er das Entwicklungsstadium, in dem sich die Sonne derzeit befindet, bereits abgeschlossen; er hat einen Hinterhof von 5 Milliarden Jahren hinter sich. Wir können daher schätzen, dass dies auch das Alter des gesamten Planetensystems ist“, erklärt Dr. Habil.

Gracjan Maciejewski, NCU-Professor und Leiter der Forschungsgruppe am NCU-Institut für Astronomie, sagt: „Er befindet sich auf der Nordseite des Himmels im Sternbild Großer Bär und trägt die Bezeichnung HD 118203, weil er erstmals unter dieser Nummer in Henry Drapers Sternkatalog aufgeführt wurde. Das Teleskop, mit dem vor über einem Jahrhundert die Beobachtungen für diesen Katalog durchgeführt wurden, befindet sich jetzt in unserem Observatorium in Piwnice in der Nähe von Torun.“

Das Draper-Teleskop

Das Draper-Teleskop ist einer der ersten Astrographen der Welt, also eines der ersten fotografischen Aufzeichnungsgeräte für Himmelsphänomene. Es wurde 1891 als „Denkmal“ für den früh verstorbenen amerikanischen Spektroskopiker Henry Draper gebaut, mit dem seine Frau Anna Maria das ehrgeizige Programm des Harvard-Observatoriums unter der Leitung von Edward C. Pickering unterstützte, das die Entwicklung eines Katalogs der fotografischen und fotovisuellen Helligkeiten von Sternen und ihrer spektralen Klassifizierung vorsah.

Mit diesem Teleskop in Cambridge wurden mehr als 60.000 photometrische und spektrale Bilder des Himmels aufgenommen. Es trug so viel zu Pickerings Absicht bei, dass das zusammengestellte Inventar mit fast einer Viertelmillion Sternen als Henry-Draper-Katalog bezeichnet wurde. Die Sternbezeichnungen „HD“ werden noch heute verwendet und sind allen Astronomen auf der ganzen Welt geläufig.

Wie kam Drapers Astrograph nach Piwnice? Im Herbst 1947 begann man mit dem Bau des ersten Observatoriumspavillons des NCU Astronomical Observatory mit einer rotierenden Kuppel von fünf Metern Durchmesser. Zwei Jahre später stand dort ein aus Cambridge geschickter Astrograph und nahm nach den notwendigen Anpassungen seine reguläre Beobachtungsarbeit auf.

Heute ist dieses interessante und weltweit einzigartige Denkmal eine Attraktion für die Besucher des Astronomieinstituts der Nationalen Universität Polen in Piwnice.

Geduld zahlt sich aus

Seit fast 20 Jahren wissen Astronomen, dass der Stern HD 118203 einen ziemlich massereichen Planeten umkreist. Im Jahr 2006 wurde der erste Gasriese entdeckt, der mit einer Masse von zwei Jupitermassen den Stern in nur sechs Tagen in einer engen Umlaufbahn umkreist.

„Doppler-Beobachtungen deuteten jedoch darauf hin, dass dies nicht das Ende der Geschichte war, sondern dass es dort draußen noch einen weiteren Planeten geben könnte. Daher haben wir dieses System sofort in unsere Beobachtungsprogramme aufgenommen“, sagt Prof. Andrzej Niedzielski, Co-Autor der Entdeckung.

„Zuerst verfolgten wir das Objekt im Rahmen des Torun-Pennsylvania-Exoplanetenforschungsprogramms, das wir in Zusammenarbeit mit Professor Aleksander Wolszczan durchführen, mit einem der größten optischen Instrumente der Erde, dem neun Meter großen Hobby-Eberly-Teleskop in Texas.“

Die Ergebnisse waren so vielversprechend, dass die Torunier zusammen mit Mitarbeitern aus Spanien die Beobachtungen des Sterns auf den Kanarischen Inseln fortsetzten. Dabei verwendeten sie das italienische Galileo-Teleskop. Dieses Observatorium war mit den besten Instrumenten zur Planetenentdeckung ausgestattet.

„Acht Jahre Forschung haben allerdings keine Antwort darauf gegeben, um was für ein Objekt es sich handelt“, ergänzt Prof. Niedzielski.

Es dauerte weitere sieben Jahre, bis die Astronomen in Torun zweifelsfreie Beweise dafür erhielten, dass es sich um einen Planeten handelte.

„Geduld zahlt sich aus“, sagt Prof. Maciejewski. „Die neuen Beobachtungen vom März 2023 erwiesen sich als entscheidend für die Bestimmung der Umlaufbahnparameter des Planeten. Da ein Planet mehrere Jahre braucht, um seinen Stern zu umkreisen, konnten wir unsere Doppler-Beobachtungen mit verfügbaren astrometrischen Messungen kombinieren, um seine Masse eindeutig zu bestimmen. So konnten wir ein vollständiges Modell dieses Planetensystems erstellen und sein dynamisches Verhalten untersuchen.“

Zuvor musste jedoch sichergestellt werden, dass sich in dem System keine weiteren Planeten verbergen. Dieser Aufgabe übernahm die Astronomiestudentin Julia Sierzputowska.

„Ich habe photometrische Beobachtungen analysiert, die mit dem Weltraumteleskop Transiting Exoplanet Survey Satellite gemacht wurden. Sie zeigten, dass es um HD 118203 keine anderen Planeten gibt, die größer als doppelt so groß wie die Erde sind und daher nicht massiv genug, um für die Untersuchung der Dynamik des Systems relevant zu sein“, sagt Julia Sierzputowska.

Planetentandem

Es stellte sich heraus, dass die Astronomen ein hierarchisches Planetensystem entdeckt hatten.

„Es handelt sich um eine besondere Konfiguration, bei der ein Planet ein enges Paar mit seinem Stern bildet und ein zweiter Planet das Paar in einer Umlaufbahn umkreist, die weit genug ist, um sozusagen ein weiteres Paar mit dem ersten zu bilden“, erklärt Prof. Krzysztof Goździewski, der detaillierte numerische Studien zur Dynamik des Systems durchgeführt hat.

Beide Planeten sind massiv und umkreisen das System auf ziemlich langgestreckten Bahnen. Trotzdem destabilisiert ihre gegenseitige Gravitationsbeeinflussung das System nicht über einen Zeitraum von Millionen von Jahren.

„Wir haben gezeigt, dass dies auf Effekte zurückzuführen ist, die sich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ergeben. Ohne diese Effekte würden sich die Planeten wie nervöse Federn verhalten und ständig die Form ihrer Umlaufbahnen und ihre Ausrichtung im Raum ändern“, fügt Prof. Goździewski hinzu.

Kosmische Antworten

Astronomen geben zu, dass das Wissen über die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen noch immer viele fundamentale Unbekannte birgt. Hierarchische Systeme wie HD 118203, von denen nur ein Dutzend bekannt sind, ermöglichen es ihnen, Hypothesen zur Entstehung massereicher Planeten zu prüfen.

„Eine interessante Frage betrifft die Entwicklungspfade solcher Planetenkonstellationen“, sagt Prof. Maciejewski. „Obwohl sie aus unserer Sicht – Bewohner des Sonnensystems – ziemlich ‚exotisch‘ sind, scheint es wichtig, etwas über Systeme mit massiven Gasplaneten zu lernen, damit wir unseren nächsten, ‚astronomischen Hinterhof‘ kennenlernen können.“

„Unsere Arbeit ist noch nicht beendet. Wir führen weiterhin Beobachtungen durch und analysieren Daten – es besteht die Möglichkeit, weitere Planeten zu entdecken“, sagt Prof. Niedzielski. „Es ist erfreulich, dass es uns gelingt, Studenten und Doktoranden in diese interessante und wichtige Forschung einzubeziehen.“