Ein „Jupiter“, heißer als die Sonne

Die Suche nach Exoplaneten – Planeten, die Sterne außerhalb der Grenzen unseres Sonnensystems umkreisen – ist ein heißes Thema in der Astrophysik. Von den verschiedenen Arten von Exoplaneten ist einer im wahrsten Sinne des Wortes heiß: heiße Jupiter, eine Klasse von Exoplaneten, die physikalisch dem Gasriesenplaneten Jupiter aus unserer Nachbarschaft ähneln.

Im Gegensatz zu „unserem“ Jupiter kreisen heiße Jupiter sehr nah um ihre Sterne, durchlaufen eine vollständige Umlaufbahn in nur wenigen Tagen oder sogar Stunden und weisen – wie der Name schon sagt – extrem hohe Oberflächentemperaturen auf. Sie üben eine große Faszination auf die Astrophysik-Community aus. Allerdings sind sie schwer zu untersuchen, da sie aufgrund der Blendung des nahegelegenen Sterns schwer zu erkennen sind.

Nun, in einer heute veröffentlichten Studie NaturastronomieWissenschaftler berichten von der Entdeckung eines Systems, das aus zwei etwa 1.400 Lichtjahre entfernten Himmelskörpern besteht, die zusammen eine hervorragende Gelegenheit zur Untersuchung heißer Jupiteratmosphären sowie zur Verbesserung unseres Verständnisses der Planeten- und Sternentwicklung bieten.

Die Entdeckung dieses Doppelsternsystems – das hinsichtlich der Temperatur bislang extremste seiner Art – erfolgte durch die Analyse spektroskopischer Daten, die vom Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile gesammelt wurden.

„Wir haben ein sternumkreisendes, heißes, jupiterähnliches Objekt identifiziert, das das heißeste ist, das jemals gefunden wurde, etwa 2.000 Grad heißer als die Sonnenoberfläche“, sagt die Hauptautorin der Studie, Dr. Na’ama Hallakoun, eine assoziierte Postdoktorandin mit dem Team von Dr. Sagi Ben-Ami in der Abteilung für Teilchenphysik und Astrophysik am Weizmann Institute of Science.

Sie fügt hinzu, dass es im Gegensatz zu den durch Blendung verdeckten Planeten des heißen Jupiter möglich ist, dieses Objekt zu sehen und zu studieren, da es im Vergleich zu dem Mutterstern, den es umkreist, sehr groß ist, der 10.000 Mal schwächer als ein normaler Stern ist. „Das macht es zu einem perfekten Labor für zukünftige Studien der extremen Bedingungen heißer Jupiter“, sagt sie.

Eine Erweiterung der Forschung, die sie 2017 mit Prof. Dan Maoz, ihrem Ph.D., durchführte. Hallakouns neue Entdeckung, Berater an der Universität Tel Aviv, könnte es ermöglichen, ein klareres Verständnis der heißen Jupiter sowie der Entwicklung von Sternen in Doppelsternsystemen zu erlangen.

Massiver Brauner Zwerg mit „mondähnlicher“ Ausrichtung

Das von Hallakoun und Kollegen entdeckte Doppelsternsystem umfasst zwei Himmelsobjekte, die beide „Zwerge“ genannt werden, aber ihrer Natur nach sehr unterschiedlich sind. Einer ist ein „Weißer Zwerg“, der Überrest eines sonnenähnlichen Sterns, nachdem sein Kernbrennstoff aufgebraucht ist. Der andere Teil des Paares, kein Planet oder Stern, ist ein „Brauner Zwerg“ – ein Mitglied einer Klasse von Objekten, deren Masse zwischen der eines Gasriesen wie Jupiter und der eines kleinen Sterns liegt.

Braune Zwerge werden manchmal als gescheiterte Sterne bezeichnet, weil sie nicht massereich genug sind, um Wasserstofffusionsreaktionen anzutreiben. Im Gegensatz zu Gasriesenplaneten sind Braune Zwerge jedoch massiv genug, um der „Anziehung“ ihrer Sternpartner zu widerstehen.

„Die Schwerkraft von Sternen kann dazu führen, dass Objekte, die zu nahe kommen, auseinanderbrechen, aber dieser Braune Zwerg ist dicht, mit der 80-fachen Masse des Jupiters, die auf die Größe des Jupiters komprimiert ist“, sagt Hallakoun. „Dadurch kann es intakt überleben und ein stabiles, binäres System bilden.“

Wenn ein Planet seinen Stern sehr nahe umkreist, können die unterschiedlichen Schwerkraftkräfte, die auf der nahen und der fernen Seite des Planeten wirken, dazu führen, dass die Umlauf- und Rotationsperioden des Planeten synchronisiert werden. Dieses als „Gezeitenblockierung“ bezeichnete Phänomen fixiert eine Seite des Planeten dauerhaft in einer Position, die dem Stern zugewandt ist, ähnlich wie der Mond der Erde immer der Erde zugewandt ist, während seine sogenannte „dunkle Seite“ außer Sichtweite bleibt. Gezeitenblockierung führt zu extremen Temperaturunterschieden zwischen der „Tagseite“-Hemisphäre, die von direkter Sternstrahlung bombardiert wird, und der anderen, nach außen gerichteten „Nachtseite“-Hemisphäre, die eine viel geringere Strahlungsmenge empfängt.

Die intensive Strahlung ihrer Sterne verursacht die extrem hohen Oberflächentemperaturen heißer Jupiter, und die Berechnungen, die Hallakoun und ihre Kollegen über das Paarsystem aus Weißen und Braunen Zwergen durchgeführt haben, zeigen, wie heiß es dort werden kann. Durch die Analyse der Helligkeit des vom System emittierten Lichts konnten sie die Oberflächentemperatur des umlaufenden Braunen Zwergs in beiden Hemisphären bestimmen.

Sie fanden heraus, dass die Tagseite eine Temperatur zwischen 7.250 und 9.800 Kelvin (etwa 7.000 und 9.500 Grad Celsius) hat, was so heiß ist wie ein Stern vom Typ A – sonnenähnliche Sterne, die doppelt so massereich wie die Sonne sein können – und heißer als jeder bekannte Riesenplanet. Die Temperatur auf der Nachtseite hingegen liegt zwischen 1.300 und 3.000 Kelvin (etwa 1.000 und 2.700 Grad Celsius), was zu einem extremen Temperaturunterschied von etwa 6.000 Grad zwischen den beiden Hemisphären führt.

Ein seltener Einblick in eine unerforschte Region

Hallakoun sagt, dass das von ihr und ihren Kollegen entdeckte System eine Gelegenheit bietet, die Auswirkungen extremer ultravioletter Strahlung auf Planetenatmosphären zu untersuchen. Solche Strahlung spielt in einer Vielzahl astrophysikalischer Umgebungen eine wichtige Rolle, von Sternentstehungsregionen über Urgasscheiben, aus denen sich Planeten um Sterne bilden, bis hin zu den Atmosphären der Planeten selbst. Diese intensive Strahlung, die zur Gasverdampfung und zum Aufbrechen von Molekülen führen kann, kann erhebliche Auswirkungen auf die Stern- und Planetenentwicklung haben. Aber das ist nicht alles.

„Nur eine Million Jahre seit der Entstehung des Weißen Zwergs in diesem System – eine winzige Zeitspanne im astronomischen Maßstab – haben wir einen seltenen Einblick in die Anfänge eines solchen kompakten Doppelsternsystems erhalten“, sagt Hallakoun. Sie fügt hinzu, dass die Entwicklung einzelner Sterne zwar recht gut bekannt sei, die Entwicklung interagierender Doppelsternsysteme jedoch immer noch kaum verstanden sei.

„Heiße Jupiter sind das Gegenteil von bewohnbaren Planeten – sie sind äußerst unwirtliche Orte für Leben“, sagt Hallakoun. „Zukünftige hochauflösende spektroskopische Beobachtungen dieses heißen Jupiter-ähnlichen Systems – idealerweise mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop der NASA gemacht – könnten zeigen, wie heiße, stark verstrahlte Bedingungen die atmosphärische Struktur beeinflussen, etwas, das uns helfen könnte, Exoplaneten anderswo im Universum zu verstehen.“