Die Existenz eines erdähnlichen Planeten um eine tote Sonne bietet Hoffnung auf das endgültige Überleben unseres Planeten

Die Entdeckung eines erdähnlichen Planeten in 4.000 Lichtjahren Entfernung in der Milchstraße bietet eine Vorschau auf ein mögliches Schicksal unseres Planeten in Milliarden von Jahren, wenn sich die Sonne in einen weißen Zwerg verwandelt hat und die zerstörte und gefrorene Erde aus der Umlaufbahn des Mars hinausgewandert ist.

Dieses weit entfernte Planetensystem, das von Astronomen der University of California in Berkeley nach Beobachtungen mit dem 10-Meter-Teleskop von Keck auf Hawaii identifiziert wurde, ähnelt sehr den Erwartungen für das Sonne-Erde-System: Es besteht aus einem Weißen Zwerg mit etwa der halben Masse der Sonne und einem Begleiter von der Größe der Erde in einer Umlaufbahn, die doppelt so groß ist wie die heutige Erde.

Dies ist wahrscheinlich das Schicksal der Erde. Die Sonne wird sich irgendwann wie ein Ballon aufblähen, der größer ist als die heutige Erdumlaufbahn, und dabei Merkur und Venus verschlingen. Während sich der Stern zu einem Roten Riesen ausdehnt, wird seine abnehmende Masse die Planeten dazu zwingen, in weiter entfernte Umlaufbahnen zu wandern, was der Erde eine geringe Chance bietet, weiter von der Sonne entfernt zu überleben. Schließlich werden die äußeren Schichten des Roten Riesen weggeblasen und zurück bleibt ein dichter Weißer Zwerg, der nicht größer als ein Planet, aber mit der Masse eines Sterns ist. Wenn die Erde bis dahin überlebt hat, wird sie wahrscheinlich in einer Umlaufbahn enden, die doppelt so groß ist wie ihre derzeitige.

Die Entdeckung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomieinformiert Wissenschaftler über die Entwicklung von Hauptreihensternen wie der Sonne über die Phase des Roten Riesen bis hin zum Weißen Zwerg und wie sich dies auf die sie umgebenden Planeten auswirkt. Einige Studien legen nahe, dass dieser Prozess bei der Sonne in etwa 1 Milliarde Jahren beginnen könnte, was schließlich dazu führen würde, dass die Ozeane der Erde verdampfen und sich der Umlaufradius der Erde verdoppelt – wenn der expandierende Stern unseren Planeten nicht vorher verschlingt.

In etwa acht Milliarden Jahren werden sich die äußeren Schichten der Sonne aufgelöst haben und zurück bleibt eine dichte, leuchtende Kugel – ein Weißer Zwerg. Er hat etwa die halbe Masse der Sonne, ist aber kleiner als die Erde.

„Wir sind uns derzeit nicht einig, ob die Erde es innerhalb von 6 Milliarden Jahren vermeiden könnte, von der roten Riesensonne verschlungen zu werden“, sagte Studienleiter Keming Zhang, ein ehemaliger Doktorand an der University of California in Berkeley, der jetzt als Eric and Wendy Schmidt AI in Science Postdoctoral Fellow an der UC San Diego tätig ist.

„Auf jeden Fall wird der Planet Erde nur noch etwa eine Milliarde Jahre lang bewohnbar sein. Zu diesem Zeitpunkt würden die Ozeane der Erde durch den außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt verdampfen – lange bevor die Gefahr besteht, dass sie vom Roten Riesen verschluckt werden.“

Das Planetensystem ist ein Beispiel für einen Planeten, der überlebt hat, obwohl er weit außerhalb der bewohnbaren Zone des schwachen weißen Zwergs liegt und wahrscheinlich kein Leben beherbergt. Es könnte sein, dass er irgendwann einmal bewohnbare Bedingungen geherrscht hat, als sein Wirt noch ein sonnenähnlicher Stern war.

„Ob Leben auf der Erde diese (Rote-Riesen-)Phase überleben kann, ist unbekannt. Aber das Wichtigste ist sicherlich, dass die Erde nicht von der Sonne verschluckt wird, wenn sie zu einem Roten Riesen wird“, sagte Jessica Lu, außerordentliche Professorin und Leiterin der Astronomie an der UC Berkeley. „Das von Keming entdeckte System ist ein Beispiel für einen Planeten – wahrscheinlich einen erdähnlichen Planeten, der ursprünglich eine ähnliche Umlaufbahn wie die Erde hatte –, der die Rote-Riesen-Phase seines Muttersterns überlebt hat.“

Mikrolinseneffekt lässt Sterne tausendfach heller werden

Das weit entfernte Planetensystem, das sich in der Nähe der Ausbuchtung im Zentrum unserer Galaxie befindet, erregte im Jahr 2020 die Aufmerksamkeit der Astronomen, als es vor einem weiter entfernten Stern vorbeizog und dessen Licht um den Faktor 1.000 verstärkte. Die Schwerkraft des Systems wirkte wie eine Linse, die das Licht des Hintergrundsterns fokussierte und verstärkte.

Das Team, das dieses „Mikrolinsen-Ereignis“ entdeckte, nannte es KMT-2020-BLG-0414, weil es vom Korea Microlensing Telescope Network in der südlichen Hemisphäre entdeckt wurde. Die Vergrößerung des Hintergrundsterns – ebenfalls in der Milchstraße, aber etwa 25.000 Lichtjahre von der Erde entfernt – betrug immer noch nur einen Lichtpunkt.

Dennoch konnten die Forscher aufgrund der Intensitätsschwankungen über einen Zeitraum von etwa zwei Monaten abschätzen, dass das System einen Stern mit etwa der halben Masse der Sonne, einen Planeten mit etwa der Masse der Erde und einen sehr großen Planeten mit etwa der 17-fachen Masse des Jupiters umfasste – wahrscheinlich einen Braunen Zwerg. Braune Zwerge sind gescheiterte Sterne, deren Masse nur knapp unter der Masse liegt, die zum Zünden einer Fusion im Kern erforderlich ist.

Die Analyse ergab außerdem, dass der erdähnliche Planet zwischen 1 und 2 Astronomischen Einheiten vom Stern entfernt war – also etwa doppelt so weit wie die Entfernung zwischen Erde und Sonne. Es war unklar, um welche Art von Stern es sich bei dem Wirt handelte, da sein Licht im grellen Licht des vergrößerten Hintergrundsterns und einiger nahegelegener Sterne unterging.

Um den Sterntyp zu identifizieren, untersuchten Zhang und seine Kollegen, darunter die Astronomen Jessica Lu und Joshua Bloom von der UC Berkeley, das Linsensystem im Jahr 2023 genauer. Dafür verwendeten sie das 10-Meter-Teleskop Keck II auf Hawaii, das mit adaptiver Optik ausgestattet ist, um Unschärfen durch die Atmosphäre zu vermeiden. Da sie das System drei Jahre nach dem Linsenereignis beobachteten, war der Hintergrundstern, der einst 1.000-fach vergrößert worden war, so blass geworden, dass der Linsenstern sichtbar gewesen sein müsste, wenn es sich um einen typischen Hauptreihenstern wie die Sonne gehandelt hätte, sagte Lu.

Aber Zhang konnte in den beiden separaten Keck-Bildern nichts erkennen.

„Unsere Schlussfolgerungen basieren auf dem Ausschluss alternativer Szenarien, da ein normaler Stern leicht zu sehen gewesen wäre“, sagte Zhang. „Da die Linse sowohl dunkel als auch massearm ist, kamen wir zu dem Schluss, dass es sich nur um einen Weißen Zwerg handeln kann.“

„Dies ist ein Fall, in dem es tatsächlich interessanter ist, nichts zu sehen, als etwas zu sehen“, sagte Lu, der nach Mikrolinsen-Ereignissen sucht, die durch frei schwebende Schwarze Löcher mit Sternenmasse in der Milchstraße verursacht werden.

Exoplaneten durch Mikrolinseneffekt entdecken

Die Entdeckung ist Teil eines Projekts von Zhang zur genaueren Untersuchung von Mikrolinsen-Ereignissen, die auf die Existenz eines Planeten hinweisen, um die Arten von Sternen zu verstehen, um die Exoplaneten herum existieren.

„Dazu gehört auch etwas Glück, denn man würde erwarten, dass weniger als einer von zehn Mikrolinsensternen mit Planeten ein Weißer Zwerg ist“, sagte Zhang.

Die neuen Beobachtungen ermöglichten es Zhang und seinen Kollegen auch, eine Unklarheit bezüglich des Standorts des Braunen Zwergs aufzuklären.

„Die ursprüngliche Analyse ergab, dass sich der Braune Zwerg entweder in einer sehr weiten Umlaufbahn wie Neptun oder weit innerhalb der Umlaufbahn des Merkur befindet. Riesenplaneten auf sehr kleinen Umlaufbahnen sind außerhalb des Sonnensystems eigentlich recht häufig“, sagte Zhang und bezog sich dabei auf eine Klasse von Planeten, die als heiße Jupiter bezeichnet werden. „Aber da wir jetzt wissen, dass er einen Sternenüberrest umkreist, ist dies unwahrscheinlich, da er sonst verschlungen worden wäre.“

Die Modellunklarheit wird durch die sogenannte Mikrolinsen-Entartung verursacht, bei der zwei unterschiedliche Linsenkonfigurationen denselben Linseneffekt erzeugen können. Diese Entartung steht im Zusammenhang mit der Entartung, die Zhang und Bloom 2022 mithilfe einer KI-Methode zur Analyse von Mikrolinsensimulationen entdeckten. Zhang verwendete dieselbe KI-Technik auch, um alternative Modelle für KMT-2020-BLG-0414 auszuschließen, die möglicherweise übersehen worden waren.

„Mikrolinseneffekte haben sich zu einer sehr interessanten Methode entwickelt, um andere Sternsysteme zu untersuchen, die mit herkömmlichen Mitteln, wie etwa der Transitmethode oder der Radialgeschwindigkeitsmethode, nicht beobachtet und erkannt werden können“, sagte Bloom. „Durch den Mikrolinsenkanal eröffnen sich uns jetzt eine ganze Reihe von Welten, und das Spannende ist, dass wir kurz davor stehen, exotische Konfigurationen wie diese zu finden.“

Ein Zweck des Nancy Grace Roman Telescope der NASA, dessen Start für 2027 geplant ist, besteht darin, Lichtkurven von Mikrolinsen-Ereignissen zu messen, um Exoplaneten zu finden. Viele dieser Ereignisse müssen mit anderen Teleskopen weiter untersucht werden, um die Art der Sterne zu identifizieren, in denen sich die Exoplaneten befinden.

„Erforderlich ist eine sorgfältige Nachverfolgung mit den weltweit besten Einrichtungen, beispielsweise der adaptiven Optik und dem Keck-Observatorium, und zwar nicht nur einen Tag oder einen Monat später, sondern viele, viele Jahre später, nachdem sich die Linse vom Hintergrundstern wegbewegt hat, damit man beginnen kann, das, was man sieht, zu entschlüsseln“, sagte Bloom.

Zhang merkte an, dass die Menschheit im äußeren Sonnensystem Zuflucht finden könnte, selbst wenn die Erde in etwa einer Milliarde Jahren während der Rotriesenphase der Sonne verschlungen würde. Mehrere Jupitermonde, wie Europa, Kallisto und Ganymed sowie Enceladus um Saturn, scheinen gefrorene Wasserozeane zu haben, die wahrscheinlich auftauen werden, wenn sich die äußeren Schichten des Rotriesen ausdehnen.

„Wenn die Sonne zu einem Roten Riesen wird, wird sich die bewohnbare Zone in die Umlaufbahn von Jupiter und Saturn verlagern, und viele dieser Monde werden zu Ozeanplaneten“, sagte Zhang. „Ich denke, in diesem Fall könnte die Menschheit dorthin auswandern.“

Weitere Co-Autoren sind Weicheng Zang und Shude Mao von der Tsinghua-Universität in Peking, China, die das erste Papier über KMT-2020-BLG-0414 mitverfasst haben; der ehemalige Doktorand der UC Berkeley Kareem El-Badry, jetzt Assistenzprofessor am California Institute of Technology in Pasadena; Eric Agol von der University of Washington in Seattle; B. Scott Gaudi von der Ohio State University in Columbus; Quinn Konopacky von der UC San Diego; Natalie LeBaron von der UC Berkeley; und Sean Terry von der University of Maryland in College Park.