Die Entdeckung eines superflauschigen „Zuckerwatte“-Exoplaneten schockiert Wissenschaftler – „Wir können nicht erklären, wie dieser Planet entstand“

Astronomen haben einen riesigen Planeten mit geringer Dichte namens WASP-193b entdeckt, der 50 % größer ist Jupiter hat aber eine zuckerwatteartige Dichte. Dieser Befund stellt aktuelle Theorien zur Planetenentstehung in Frage, da Wissenschaftler nicht erklären können, wie ein solcher Planet entstehen könnte.

Astronomen haben einen riesigen, flauschigen seltsamen Planeten entdeckt, der einen entfernten Stern in unserer Umlaufbahn umkreist Milchstraße Galaxis. Die Entdeckung wurde am 14. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie von Forschern von at MITder Universität Lüttich in Belgien und anderswo, ist ein vielversprechender Schlüssel zum Geheimnis, wie solche riesigen, superleichten Planeten entstehen.

Der neue Planet mit dem Namen WASP-193b scheint Jupiter in seiner Größe in den Schatten zu stellen, weist jedoch nur einen Bruchteil seiner Dichte auf. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass der Gasriese 50 Prozent größer als Jupiter und etwa ein Zehntel so dicht ist – eine extrem niedrige Dichte, vergleichbar mit der von Zuckerwatte.

WASP-193b ist der zweitleichteste Planet, der bisher entdeckt wurde, nach dem kleineren, Neptun-ähnliche Welt, Kepler 51d. Die viel größere Größe des neuen Planeten in Kombination mit seiner superleichten Dichte machen WASP-193b zu einer Kuriosität unter den mehr als 5.400 bisher entdeckten Planeten.

„Diese riesigen Objekte mit einer so geringen Dichte zu finden, ist wirklich sehr, sehr selten“, sagt der Hauptautor der Studie und MIT-Postdoc Khalid Barkaoui. „Es gibt eine Klasse von Planeten, die geschwollene Jupiter genannt werden, und es ist seit 15 Jahren ein Rätsel, um welche Art es sich dabei handelt. Und das ist ein extremer Fall dieser Klasse.“

„Wir wissen nicht, wo wir diesen Planeten in all den Entstehungstheorien, die wir derzeit haben, einordnen sollen, weil er von allen ein Ausreißer ist“, fügt Co-Hauptautor Francisco Pozuelos, ein leitender Forscher am Institut für Astrophysik von Andalusien, hinzu. in Spanien. „Wir können anhand klassischer Evolutionsmodelle nicht erklären, wie dieser Planet entstanden ist. Wenn wir seine Atmosphäre genauer betrachten, können wir einen Entwicklungspfad dieses Planeten ermitteln.“

Zu den MIT-Co-Autoren der Studie gehören Julien de Wit, Assistenzprofessor am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences des MIT, und MIT-Postdoc Artem Burdanov sowie Mitarbeiter mehrerer Institutionen in ganz Europa.

Künstlerische Darstellung des WASP-193b-Systems. Bildnachweis: Universität Lüttich

„Eine interessante Wendung“

Der neue Planet wurde ursprünglich von Wide Angle Search for Planets (WASP) entdeckt – einer internationalen Zusammenarbeit akademischer Institutionen, die gemeinsam zwei Roboterobservatorien betreiben, eines auf der Nordhalbkugel und das andere im Süden. Jedes Observatorium nutzt eine Reihe von Weitwinkelkameras, um die Helligkeit Tausender einzelner Sterne am gesamten Himmel zu messen.

In Umfragen, die zwischen 2006 und 2008 und erneut von 2011 bis 2012 durchgeführt wurden, entdeckte das WASP-South-Observatorium periodische Transite oder Lichteinbrüche von WASP-193 – einem hellen, nahen, sonnenähnlichen Stern, der 1.232 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Astronomen stellten fest, dass die periodischen Helligkeitsabfälle des Sterns damit vereinbar waren, dass ein Planet den Stern alle 6,25 Tage umkreiste und sein Licht blockierte. Die Wissenschaftler maßen die Gesamtmenge an Licht, die der Planet bei jedem Transit blockierte, was ihnen eine Schätzung der riesigen Super-Jupiter-Größe des Planeten lieferte.

Die Astronomen versuchten dann, die Masse des Planeten zu bestimmen – ein Maß, das dann seine Dichte und möglicherweise auch Hinweise auf seine Zusammensetzung liefern würde. Um eine Massenschätzung zu erhalten, verwenden Astronomen typischerweise die Radialgeschwindigkeit, eine Technik, bei der Wissenschaftler das Spektrum eines Sterns oder verschiedene Lichtwellenlängen analysieren, während ein Planet den Stern umkreist. Das Spektrum eines Sterns kann sich auf bestimmte Weise verschieben, je nachdem, was den Stern anzieht, beispielsweise einen ihn umkreisenden Planeten. Je massereicher ein Planet ist und je näher er an seinem Stern ist, desto stärker kann sich sein Spektrum verschieben – eine Verzerrung, die Wissenschaftlern eine Vorstellung von der Masse eines Planeten geben kann.

Für WASP-193 b erhielten Astronomen zusätzliche hochauflösende Spektren des Sterns, die von verschiedenen bodengestützten Teleskopen aufgenommen wurden, und versuchten, die Radialgeschwindigkeit zur Berechnung der Masse des Planeten zu nutzen. Aber sie blieben immer leer – gerade weil der Planet, wie sich herausstellte, viel zu leicht war, um eine erkennbare Anziehungskraft auf seinen Stern auszuüben.

„Normalerweise sind große Planeten ziemlich leicht zu erkennen, da sie normalerweise massereich sind und eine große Anziehungskraft auf ihren Stern ausüben“, erklärt de Wit. „Aber das Schwierige an diesem Planeten war, dass seine Masse und Dichte, obwohl er groß – riesig – so gering ist, dass es mit der Radialgeschwindigkeitstechnik tatsächlich sehr schwierig war, ihn zu entdecken. Es war eine interessante Wendung.“

„[WASP-193b] ist so schwach, dass es vier Jahre gedauert hat, Daten zu sammeln und zu zeigen, dass es ein Massensignal gibt, aber es ist wirklich, wirklich winzig“, sagt Barkaoui.

„Anfangs erhielten wir extrem niedrige Dichten, was anfangs sehr schwer zu glauben war“, fügt Pozuelos hinzu. „Wir haben den Prozess der gesamten Datenanalyse mehrmals wiederholt, um sicherzustellen, dass dies die tatsächliche Dichte des Planeten ist, da dies äußerst selten vorkommt.“

Eine aufgeblasene Welt

Am Ende bestätigte das Team, dass der Planet tatsächlich extrem leicht war. Sie berechneten, dass seine Masse etwa 0,14 der Masse des Jupiters entsprach. Und seine aus seiner Masse abgeleitete Dichte betrug etwa 0,059 Gramm pro Kubikzentimeter. Jupiter hingegen hat etwa 1,33 Gramm pro Kubikzentimeter; und die Erde hat einen größeren Wert von 5,51 Gramm pro Kubikzentimeter. Vielleicht ist Zuckerwatte das Material, das der Dichte des neuen, bauschigen Planeten am nächsten kommt und eine Dichte von etwa 0,05 Gramm pro Kubikzentimeter hat.

„Der Planet ist so leicht, dass man sich kaum ein analoges Festkörpermaterial vorstellen kann“, sagt Barkaoui. „Der Grund, warum es Zuckerwatte ähnelt, liegt darin, dass beide hauptsächlich aus leichten Gasen und nicht aus Feststoffen bestehen. Der Planet ist im Grunde superflauschig.“

Die Forscher vermuten, dass der neue Planet wie die meisten anderen Gasriesen in der Galaxie hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht. Bei WASP-193b bilden diese Gase wahrscheinlich eine enorm aufgeblähte Atmosphäre, die sich Zehntausende Kilometer weiter erstreckt als die Atmosphäre des Jupiter. Wie genau sich ein Planet so weit aufblasen kann und dabei eine superleichte Dichte beibehält, ist eine Frage, die noch keine bestehende Theorie der Planetenentstehung beantworten kann.

Um ein besseres Bild der neuen flauschigen Welt zu erhalten, plant das Team, eine zuvor von de Wit entwickelte Technik zu nutzen, um zunächst bestimmte Eigenschaften der Planetenatmosphäre abzuleiten, wie etwa ihre Temperatur, Zusammensetzung und den Druck in verschiedenen Tiefen. Aus diesen Eigenschaften lässt sich dann die Masse des Planeten genau ermitteln. Derzeit sieht das Team WASP-193b als einen idealen Kandidaten für Folgestudien durch Observatorien wie das James Webb-Weltraumteleskop.

„Je größer die Atmosphäre eines Planeten, desto mehr Licht kann durchdringen“, sagt de Wit. „Es ist also klar, dass dieser Planet eines der besten Ziele ist, die wir für die Untersuchung atmosphärischer Effekte haben. Es wird ein Rosetta-Stein sein, um das Rätsel der geschwollenen Jupiter zu lösen.“

Referenz: „Eine ausgedehnte Atmosphäre niedriger Dichte um den jupitergroßen Planeten WASP-193 b“ von Khalid Barkaoui, Francisco J. Pozuelos, Coel Hellier, Barry Smalley, Louise D. Nielsen, Prajwal Niraula, Michaël Gillon, Julien de Wit, Simon Müller, Caroline Dorn, Ravit Helled, Emmanuel Jehin, Brice-Olivier Demory, Valerie Van Grootel, Abderahmane Soubkiou, Mourad Ghachoui, David. R. Anderson, Zouhair Benkhaldoun, Francois Bouchy, Artem Burdanov, Laetitia Delrez, Elsa Ducrot, Lionel Garcia, Abdelhadi Jabiri, Monika Lendl, Pierre FL Maxted, Catriona A. Murray, Peter Pihlmann Pedersen, Didier Queloz, Daniel Sebastian, Oliver Turner, Stephane Udry, Mathilde Timmermans, Amaury HMJ Triaud und Richard G. West, 14. Mai 2024, Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02259-y

Diese Forschung wurde teilweise von Konsortiumsuniversitäten und dem britischen Science and Technology Facilities Council für WASP finanziert; der Europäische Forschungsrat; die Föderation Wallonien-Brüssel; und die Heising-Simons Foundation, Colin und Leslie Masson und Peter A. Gilman, die Artemis und die anderen SPECULOOS-Teleskope unterstützen.