Entstehung von Supererden in der Nähe metallarmer Sterne begrenzt

In einer neuen Studie berichten Astronomen von neuartigen Erkenntnissen hinsichtlich der Grenzen der Planetenentstehung. Sie haben herausgefunden, dass es ab einem bestimmten Punkt für Planeten, die größer als die Erde sind, schwierig ist, in der Nähe von Sternen mit geringer Metallizität zu entstehen.

Mit der Sonne als Basis können Astronomen messen, wann ein Stern entstanden ist, indem sie seine Metallizität bestimmen, also den Gehalt an schweren Elementen in ihm. Metallreiche Sterne oder Nebel entstanden relativ kürzlich, während metallarme Objekte wahrscheinlich schon im frühen Universum vorhanden waren.

Frühere Studien haben einen schwachen Zusammenhang zwischen Metallizitätsraten und Planetenentstehung festgestellt. Dabei wurde festgestellt, dass mit der Abnahme der Metallizität eines Sterns auch die Planetenentstehung bei bestimmten Planetenpopulationen, wie etwa bei Sub-Saturn- oder Sub-Neptun-Planeten, abnimmt.

Doch diese Arbeit stellt erstmals fest, dass nach den derzeitigen Theorien die Entstehung von Supererden in der Nähe von metallarmen Sternen deutlich schwieriger wird. Dies deutet darauf hin, dass es strikte Grenzwerte für die Entstehungsbedingungen einer Supererde geben muss, sagte die Hauptautorin Kiersten Boley, die vor kurzem an der Ohio State University in Astronomie promoviert hat.

„Wenn Sterne ihren Lebenszyklus durchlaufen, reichern sie den umgebenden Raum an, bis genug Metalle oder Eisen vorhanden sind, um Planeten zu bilden“, sagte Boley. „Aber selbst bei Sternen mit geringerer Metallizität ging man allgemein davon aus, dass die Zahl der Planeten, die sie bilden könnten, nie Null erreichen würde.“

Andere Studien gingen davon aus, dass die Planetenentstehung in der Milchstraße beginnen sollte, wenn die Sterne eine Metallizität zwischen -2,5 und -0,5 aufweisen. Doch diese Theorie blieb bislang unbewiesen.

Um diese Vorhersage zu testen, entwickelte und durchsuchte das Team einen Katalog von 10.000 der metallärmsten Sterne, die von der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)-Mission der NASA beobachtet wurden. Wenn diese Vorhersage zutrifft, hätte die Extrapolierung bekannter Trends zur Suche nach kleinen, kurzperiodischen Planeten um eine Region mit 85.000 metallarmen Sternen sie zur Entdeckung von etwa 68 Supererden geführt.

Überraschenderweise konnten die Forscher bei dieser Arbeit keine entdecken, sagte Boley. „Wir haben im Wesentlichen eine Klippe gefunden, wo wir einen langsamen oder allmählichen Abhang erwartet hatten, der immer weiter ansteigt“, sagte sie. „Die erwarteten Häufigkeiten stimmen überhaupt nicht überein.“

Die Studie war veröffentlicht In Das astronomische Journal.

Dieser Unterschied, der den Wissenschaftlern einen Zeitraum liefert, in dem die Metallizität für die Entstehung von Planeten zu gering war, erstreckt sich über etwa die Hälfte des Alters des Universums. Das bedeutet, dass sich in der Frühgeschichte des Universums keine Supererden bildeten.

„Vor sieben Milliarden Jahren ist wahrscheinlich der ideale Zeitpunkt, an dem wir den Beginn der Entstehung einiger Supererden beobachten können“, sagte Boley.

Da zudem die Mehrzahl der vor dieser Ära entstandenen Sterne eine niedrige Metallizität aufweisen und warten mussten, bis die Milchstraße durch Generationen sterbender Sterne bereichert worden wäre, um die richtigen Bedingungen für die Planetenentstehung zu schaffen, legen die Ergebnisse erfolgreich eine Obergrenze für die Anzahl und Verteilung kleiner Planeten in unserer Galaxie nahe.

„Bei einem ähnlichen Sterntyp wie unserem wissen wir jetzt, dass wir nicht mit einer reichlichen Planetenbildung rechnen müssen, wenn man einen Metallizitätsbereich von minus 0,5 überschreitet“, sagte Boley. „Das ist ziemlich bemerkenswert, denn wir haben jetzt tatsächlich Daten, die das belegen.“

Bemerkenswert sind auch die Implikationen der Studie für jene, die nach Leben außerhalb der Erde suchen, denn ein genaueres Verständnis der Feinheiten der Planetenentstehung kann den Wissenschaftlern detaillierte Erkenntnisse darüber liefern, in welchen Teilen des Universums Leben möglicherweise floriert hat.

„Man sollte nicht in Gegenden suchen, in denen Leben nicht möglich ist oder in denen man nicht einmal glaubt, dort einen Planeten zu finden“, sagte Boley. „Wenn man diese Dinge weiß, gibt es einfach eine Fülle von Fragen, die man stellen kann.“

Zu solchen Untersuchungen könnte es gehören, herauszufinden, ob es auf diesen Exoplaneten Wasser gibt, wie groß ihr Kern ist und ob sie ein starkes Magnetfeld entwickelt haben – alles günstige Bedingungen für die Entstehung von Leben.

Um ihre Arbeit auf andere Arten von Planetenentstehungsprozessen anwenden zu können, muss das Team wahrscheinlich verschiedene Arten von Supererden über längere Zeiträume untersuchen, als es heute möglich ist. Glücklicherweise könnten zukünftige Beobachtungen mithilfe von anstehenden Projekten wie dem Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA und der PLATO-Mission der Europäischen Weltraumorganisation durchgeführt werden, die beide die Suche nach terrestrischen Planeten in bewohnbaren Zonen wie unserer eigenen erweitern werden.

„Diese Instrumente werden von entscheidender Bedeutung sein, wenn wir herausfinden wollen, wie viele Planeten es da draußen gibt, und um so viele Folgebeobachtungen wie möglich durchzuführen“, sagte Boley.

Weitere Co-Autoren sind Ji Wang vom Ohio State; Jessie Christiansen, Philip Hopkins und Jon Zink vom California Institute of Technology; Kevin Hardegree-Ullman und Galen Bergsten von der University of Arizona; Eve Lee von der McGill University; Rachel Fernandes von der Pennsylvania State University; und Sakhee Bhure von der University of Southern Queensland.