Forscher der Penn State University haben einen außergewöhnlich massereichen Planeten entdeckt, der einen ultrakühlen Zwergstern umkreist, und stellen damit bestehende Theorien zur Planeten- und Sternentstehung in Frage. Die Masse des Planeten mit dem Namen LHS 3154b beträgt mehr als das 13-fache der Masse der Erde, während sein Wirtsstern, LHS 3154, eine deutlich geringere Masse als die Sonne hat. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Forscher der Penn State University haben einen ungewöhnlich massereichen Planeten entdeckt, LHS 3154b, der einen ultrakühlen Zwergstern umkreist. Dieser Befund steht im Widerspruch zu aktuellen Theorien und führt zu einer Neubewertung der Entstehungsprozesse von Sternen und Planeten.
Die Entdeckung eines Planeten, der viel zu massereich für seine Sonne ist, stellt laut Forschern der Penn State University das bisherige Wissen über die Entstehung von Planeten und ihren Sonnensystemen in Frage.
In einem Artikel, der am 30. November in der Zeitschrift veröffentlicht wurde WissenschaftForscher berichten von der Entdeckung eines Planeten mit mehr als 13-mal so großer Masse wie die Erde, der den „ultrakühlen“ Stern LHS 3154 umkreist, der selbst neunmal weniger massereich als die Sonne ist. Das Massenverhältnis des neu entdeckten Planeten und seines Muttersterns ist mehr als 100-mal höher als das von Erde und Sonne.
Dieses Video ist eine künstlerische Darstellung eines neu entdeckten Systems, LHS 3154, das einen Planeten enthält, der für seine Sonne weitaus massereicher ist, als aktuelle Modelle vorhersagen würden. Bildnachweis: Abigail Hope Minnich
Aktuelle Theorien in Frage stellen
Der Fund zeigt den massereichsten bekannten Planeten in einer engen Umlaufbahn um einen ultrakühlen Zwergstern, den masseärmsten und kältesten Stern im Universum. Die Entdeckung widerspricht dem, was aktuelle Theorien für die Planetenentstehung um kleine Sterne vorhersagen würden, und markiert das erste Mal, dass ein Planet mit so hoher Masse gesichtet wurde, der einen so massearmen Stern umkreist.
„Diese Entdeckung macht deutlich, wie wenig wir über das Universum wissen“, sagte Suvrath Mahadevan, Verne M. Willaman-Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Mitautor des Artikels. „Wir würden nicht erwarten, dass es einen so schweren Planeten um einen so massearmen Stern gibt.“
Eine künstlerische Darstellung des Massenvergleichs des LHS 3154-Systems mit unserer eigenen Erde und Sonne. Bildnachweis: Penn State University
Entstehung von Sternen und Planeten
Er erklärte, dass Sterne aus großen Gas- und Staubwolken entstehen. Nachdem sich der Stern gebildet hat, verbleiben Gas und Staub als Materialscheiben, die den neugeborenen Stern umkreisen, der sich schließlich zu Planeten entwickeln kann.
„Die planetenbildende Scheibe um den massearmen Stern LHS 3154 wird voraussichtlich nicht genug feste Masse haben, um diesen Planeten zu bilden“, sagte Mahadevan. „Aber es ist da draußen, also müssen wir jetzt unser Verständnis darüber, wie Planeten und Sterne entstehen, noch einmal überprüfen.“
Die Penn State-Forscher Suvrath Mahadevan und Megan Delamer erklären die Entdeckung eines massereichen Planeten, der einen kleinen Stern umkreist. Bildnachweis: Penn State University
Entdeckung mit HPF
Die Forscher entdeckten den übergroßen Planeten mit dem Namen LHS 3154b mithilfe eines astronomischen Spektrographen, der von einem Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Mahadevan im Penn State gebaut wurde. Das als Habitable Zone Planet Finder oder HPF bezeichnete Instrument wurde entwickelt, um Planeten zu erkennen, die die kühlsten Sterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen und auf deren Oberflächen möglicherweise flüssiges Wasser – ein wichtiger Bestandteil für Leben – vorhanden ist.
Planeten um ultrakühle Sterne entdecken
Während solche Planeten in der Nähe von Sternen wie unserer Sonne nur sehr schwer zu entdecken sind, bedeutet die niedrige Temperatur ultrakühler Sterne, dass Planeten, die flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche haben können, im Vergleich zur Erde und der Sonne viel näher an ihrem Stern sind. Dieser kürzere Abstand zwischen diesen Planeten und ihren Sternen führt in Kombination mit der geringen Masse der ultrakühlen Sterne zu einem erkennbaren Signal, das die Anwesenheit des Planeten ankündigt, erklärte Mahadevan.
„Stellen Sie sich das so vor, als wäre der Stern ein Lagerfeuer. Je mehr das Feuer abkühlt, desto näher müssen Sie an das Feuer herankommen, um warm zu bleiben“, sagte Mahadevan. „Das Gleiche gilt für Planeten. Wenn der Stern kälter ist, muss ein Planet näher an diesem Stern sein, damit er warm genug ist, um flüssiges Wasser zu enthalten. Wenn ein Planet seinen ultrakühlen Stern nah genug umkreist, können wir ihn erkennen, indem wir eine sehr subtile Änderung in der Farbe der Spektren oder des Lichts des Sterns beobachten, wenn er von einem umkreisenden Planeten angezogen wird.“
Künstlerische Darstellung des möglichen Blicks von LHS 3154b auf seinen Mutterstern mit geringer Masse. Aufgrund seiner großen Masse hat LHS 3154b wahrscheinlich eine Neptun-ähnliche Zusammensetzung. Bildnachweis: Penn State
Bedeutung von HPF
Das HPF befindet sich am Hobby-Eberly-Teleskop am McDonald-Observatorium in Texas und liefert einige der bisher präzisesten Messungen solcher Infrarotsignale von nahen Sternen.
„Die Entdeckung mit HPF zu machen war etwas ganz Besonderes, da es sich um ein neues Instrument handelt, das wir von Grund auf entworfen, entwickelt und gebaut haben, um die unbekannte Planetenpopulation um die Sterne mit der niedrigsten Masse zu untersuchen“, sagte Guðmundur Stefánsson, NASA Sagan Fellow in Astrophysik bei Princeton Universität und Hauptautor des Artikels, der bei der Entwicklung von HPF mitgewirkt hat und als Doktorand an der Penn State an der Studie gearbeitet hat. „Jetzt ernten wir die Früchte und lernen neue und unerwartete Aspekte dieser aufregenden Planetenpopulation kennen, die einige der nächstgelegenen Sterne umkreist.“
Das Instrument habe bereits entscheidende Informationen bei der Entdeckung und Bestätigung neuer Planeten geliefert, erklärte Stefánsson, aber die Entdeckung des Planeten LHS 3154b habe alle Erwartungen übertroffen.
Planetenentstehungstheorien überdenken
„Basierend auf aktuellen Vermessungsarbeiten mit dem HPF und anderen Instrumenten ist ein Objekt wie das von uns entdeckte wahrscheinlich äußerst selten, daher war es wirklich aufregend, es zu entdecken“, sagte Megan Delamer, Astronomie-Doktorandin an der Penn State und Co-Autorin des Buches Papier. „Unsere aktuellen Theorien zur Planetenentstehung können das, was wir sehen, nur schwer erklären.“
Im Fall des massereichen Planeten, der den Stern LHS 3154 umkreist, würde der aus den Messungen des Teams abgeleitete schwere Planetenkern eine größere Menge an festem Material in der planetenbildenden Scheibe erfordern, als aktuelle Modelle vorhersagen würden, erklärte Delamer. Der Befund wirft auch Fragen zu früheren Erkenntnissen über die Entstehung von Sternen auf, da die Staubmasse und das Staub-zu-Gas-Verhältnis der Scheibe, die Sterne wie LHS 3154 umgibt – als sie jung und neu entstanden waren – zehnmal höher sein müssten als beobachtet wurde, um einen Planeten zu bilden, der so massereich ist wie der, den das Team entdeckt hat.
„Was wir entdeckt haben, stellt einen extremen Testfall für alle bestehenden Planetenentstehungstheorien dar“, sagte Mahadevan. „Genau dafür haben wir HPF gebaut, um herauszufinden, wie die häufigsten Sterne in unserer Galaxie Planeten bilden – und um diese Planeten zu finden.“
Referenz: „A Neptun-Masse Exoplanet in einer engen Umlaufbahn um einen Stern mit sehr geringer Masse stellt Entstehungsmodelle in Frage“ von Guðmundur Stefánsson, Suvrath Mahadevan, Yamila Miguel, Paul Robertson, Megan Delamer, Shubham Kanodia, Caleb I. Cañas, Joshua N. Winn, Joe P. Ninan, Ryan C . Terrien, Rae Holcomb, Eric B. Ford, Brianna Zawadzki, Brendan P. Bowler, Chad F. Bender, William D. Cochran, Scott Diddams, Michael Endl, Connor Fredrick, Samuel Halverson, Fred Hearty, Gary J. Hill, Andrea SJ Lin, Andrew J. Metcalf, Andrew Monson, Lawrence Ramsey, Arpita Roy, Christian Schwab, Jason T. Wright und Gregory Zeimann, 30. November 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abo0233
Weitere Penn-State-Autoren des Artikels sind Eric Ford, Brianna Zawadzki, Fred Hearty, Andrea Lin, Lawrence Ramsey und Jason Wright. Weitere Autoren des Artikels sind Joshua Winn von der Princeton University, Yamila Miguel von der University of Leiden, Paul Robertson von der University of California, Irvine und Rae Holcomb von der University of California, Shubham Kanodia von der University of California Carnegie Institution for ScienceCaleb Cañas vom Goddard Space Flight Center der NASA, Joe Ninan vom indischen Tata Institute of Fundamental Research, Ryan Terrien vom Carleton College, Brendan Bowler, William Cochran, Michael Endl und Gary Hill von der University of Texas in Austin, Chad Bender vom University of Arizona, Scott Diddams, Connor Fredrick und Andrew Metcalf von der University of Colorado, Samuel Halverson vom Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology, Andrew Monson von der University of Arizona, Arpita Roy von der Johns Hopkins University, Christian Schwab von der australischen Macquarie University , und Gregory Zeimann vom Hobby-Eberly Telescope an der UT Austin.
Die Arbeit wurde vom Center for Exoplanets and Habitable Worlds an der Penn State, dem Pennsylvania Space Grant Consortium, der National Aeronautics and Space Administration, der National Science Foundation und der Heising-Simons Foundation finanziert.