Kleiner, kühler und schwefelhaltiger Exoplanet könnte Rezept für Planetenentstehung liefern

Ein überraschender gelber Schwefeldioxiddunst in der Atmosphäre eines gasförmigen „Zwerg“-Exoplaneten, der etwa 96 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt ist, macht den Planeten zu einem bevorzugten Ziel für Wissenschaftler, die verstehen wollen, wie Welten entstehen.

Astronomen entdeckten den Planeten GJ 3470 b im Jahr 2012, als der Schatten des Planeten den Stern kreuzte, den er umkreist. GJ 3470 b befindet sich im Sternbild Krebs und ist etwa halb so groß wie Neptun und hat eine zehnmal so große Masse wie die Erde. In den vergangenen Jahren haben Forscher mithilfe der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer Daten über den Planeten gesammelt, was in zwei jüngsten Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop gipfelte.

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems – sogenannte Exoplaneten – wie GJ 3470 b sind interessante Objekte für Forscher, die die Entstehung von Planeten erforschen. Im Idealfall fangen Astronomen das Licht eines Sterns ein, das durch den Rand der Atmosphäre des Planeten scheint. Dadurch können sie ein Maß für die Lichtkomponente oder ihr Spektrum erstellen, eine Anzeige, die durch Spitzen und Einbrüche gekennzeichnet ist, die für die interessanten Moleküle in dieser Atmosphäre charakteristisch sind.

„Die Sache ist, dass jeder diese Planeten betrachtet und oft flache Linien sieht“, sagt Thomas Beatty, Astronomieprofessor an der University of Wisconsin–Madison. „Aber als wir diesen Planeten betrachteten, sahen wir tatsächlich keine flache Linie.“

Sie fanden Spuren von Wasser, Kohlendioxid, Methan und Schwefeldioxid. Diese Ergebnisse präsentierte Beatty heute in Madison auf der 244. Treffen der American Astronomical Society und dass er bald veröffentlichen wird in Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe mit Co-Autoren von der Arizona State University, der University of Arizona, dem Ames Research Center der NASA und anderen Organisationen. Das Papier ist verfügbar auf der arXiv Preprint-Server.

GJ 3470 b ist der leichteste und kälteste Exoplanet (durchschnittlich nur 325 Grad Celsius, oder mehr als 600 Fahrenheit), der Schwefeldioxid beherbergt. Die Verbindung ist wahrscheinlich ein Zeichen für die aktiven chemischen Reaktionen in der Atmosphäre des Planeten, die entstehen, wenn die Strahlung seines nahegelegenen Sterns die Bestandteile des Schwefelwasserstoffs auseinander sprengt, die dann nach neuen molekularen Partnern suchen.

„Wir hätten nicht gedacht, dass wir Schwefeldioxid auf so kleinen Planeten sehen würden, und es ist aufregend, dieses neue Molekül an einem unerwarteten Ort zu sehen, da es uns einen neuen Weg gibt, herauszufinden, wie diese Planeten entstanden sind“, sagt Beatty, der als Instrumentenwissenschaftler am James-Webb-Weltraumteleskop gearbeitet hat, bevor er der Fakultät der UW–Madison beitrat. „Und kleine Planeten sind besonders interessant, weil ihre Zusammensetzung wirklich davon abhängt, wie der Planetenentstehungsprozess ablief.“

Diesen Prozess zu ergründen, ist ein Schwerpunkt von Beattys Forschung. Es ist ein bisschen so, als würde man einen Bäcker nur zu Beginn seiner Arbeit ausspionieren und dann noch einmal, wenn es fast Zeit für den Nachtisch ist.

„Auf unserem Tisch liegen alle Zutaten für einen Kuchen, und wir haben einen fertigen Kuchen“, sagt er. „Können wir nun das Rezept herausfinden – die Schritte, die aus den Rohmaterialien das Endprodukt gemacht haben – indem wir messen, was im Kuchen ist?“

Astronomen wie Beatty hoffen, dass ihnen genau dies gelingen wird: Sie wollen das Rezept für die Planetenentstehung herausfinden, indem sie untersuchen, was in Exoplaneten steckt.

„Die Entdeckung von Schwefeldioxid auf einem so kleinen Planeten wie GJ 3470 b gibt uns einen weiteren wichtigen Punkt auf der Liste der Zutaten für die Planetenentstehung“, sagt Beatty.

Im Fall von GJ 3470 b gibt es noch weitere interessante Merkmale, die helfen könnten, dieses Rezept zu vervollständigen. Die Umlaufbahn des Planeten um seinen Stern führt ihn fast über die Pole des Sterns, was bedeutet, dass er in einem 90-Grad-Winkel zur erwarteten Bahn der Planeten im System kreist. Er ist auch überraschend nah am Stern, nah genug, dass das Licht seines Sterns große Mengen der Atmosphäre von GJ 3470 b in den Weltraum bläst. Der Planet hat seit seiner Entstehung wahrscheinlich etwa 40 % seiner Masse verloren.

Die enge, aus dem Gleichgewicht geratene Umlaufbahn ist ein Zeichen dafür, dass sich GJ 3470 b zuvor an einer anderen Stelle in seinem System befunden hat und irgendwann mit der Schwerkraft eines anderen Planeten in Berührung kam und auf eine neue Bahn gezogen wurde, die ihn schließlich in eine andere Nachbarschaft brachte.

„Diese Migrationsgeschichte, die zu dieser polaren Umlaufbahn und dem Verlust all dieser Masse führte – das sind Dinge, die wir normalerweise nicht über andere Exoplaneten wissen, die wir untersuchen“, sagt Beatty. „Das sind wichtige Schritte im Rezept, das diesen besonderen Planeten geschaffen hat, und sie können uns helfen zu verstehen, wie Planeten wie dieser entstehen.“

Mithilfe weiterer Analysen der Bestandteile, die in der Atmosphäre des Planeten verbleiben, und der Hilfe von Kollegen wie denen des Wisconsin Center for Origins Research der University of Wisconsin-Madison, die auf protoplanetare Scheiben und Migrationsdynamik spezialisiert sind, kann GJ 3470 b Beatty und anderen dabei helfen zu verstehen, wie Planeten wie dieser so appetitlich wurden – zumindest aus der Sicht der Astronomen.