„Ungewöhnlich massiv“ – Astronomen haben einen Planeten entdeckt, der nicht existieren sollte

Forscher der Penn State University haben einen ungewöhnlich massereichen Planeten entdeckt, LHS 3154b, der einen ultrakühlen Zwergstern umkreist. Diese Entdeckung, die im Widerspruch zu aktuellen Theorien steht, führt zu einer Neubewertung der Entstehungsprozesse von Sternen und Planeten.

Die Entdeckung eines Planeten, der im Verhältnis zu seiner Sonne so massereich ist, stellt laut Forschern der Penn State University das bisherige Wissen über die Entstehung von Planeten und ihren Sonnensystemen in Frage.

In einer am 30. November in der Zeitschrift veröffentlichten Studie WissenschaftenForscher haben die Entdeckung eines Planeten mit mehr als der 13-fachen Masse der Erde bekannt gegeben, der den „ultrakühlen“ Stern LHS 3154 umkreist, der selbst neunmal weniger massereich als die Sonne ist. Das Verhältnis der Masse des neu entdeckten Planeten zur Masse seines Muttersterns ist mehr als 100-mal höher als das der Erde und der Sonne.

Dieses Video ist eine künstlerische Darstellung des neu entdeckten Systems LHS 3154, das einen Planeten enthält, der im Verhältnis zu seiner Sonne viel größer ist, als aktuelle Modelle vorhersagen. Bildnachweis: Abigail Hope Minnich

Aktuelle Theorien in Frage stellen

Die Entdeckung enthüllt den massereichsten bekannten Planeten in einer engen Umlaufbahn um einen ultrakühlen Zwergstern, den masseärmsten und kältesten Stern im Universum. Diese Entdeckung widerspricht den Vorhersagen aktueller Theorien über die Planetenentstehung um kleine Sterne und stellt das erste Mal dar, dass ein Planet mit einer so hohen Masse beobachtet wurde, der einen Stern mit geringer Masse umkreist.

„Diese Entdeckung macht deutlich, wie wenig wir über das Universum wissen“, sagte Suvrath Mahadevan, Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State University und Mitautor der Studie. „Wir hatten nicht erwartet, dass es einen so massereichen Planeten um einen massearmen Stern gibt.“

Künstlerische Darstellung eines kollektiven Vergleichs zwischen LHS 3154, unserer Erde und unserer Sonne. Bildnachweis: Pennsylvania State University

Entstehung von Sternen und Planeten

Er erklärte, dass Sterne aus großen Gas- und Staubwolken entstehen. Nachdem sich ein 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 existiert, also müssen wir jetzt unser Verständnis über die Entstehung von Planeten und Sternen überdenken.“

Die Penn State-Forscher Suvrath Mahadevan und Megan Delamere erklären die Entdeckung eines massereichen Planeten, der einen kleinen Stern umkreist. Bildnachweis: Pennsylvania State University

Nachweis mittels HPF

Die Forscher beobachteten den massiven Planeten mit der Bezeichnung LHS 3154b mithilfe eines astronomischen Spektrographen, der in Pennsylvania von einem Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Mahadevan gebaut wurde. Das Tool namens Habitable Zone Planet Finder (HPF) soll Planeten entdecken, die die kältesten Sterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen und auf deren Oberflächen möglicherweise flüssiges Wasser – ein wichtiger Bestandteil für Leben – vorhanden ist.

Entdeckung von Planeten um ultrakühle Sterne

Während es sehr schwierig ist, solche Planeten um Sterne wie unsere Sonne zu entdecken, bedeutet die niedrige Temperatur ultrakühler Sterne, dass Planeten, die flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche haben können, viel näher an ihrem Stern sind als die Erde und die Sonne. Dieser kürzere Abstand zwischen diesen Planeten und ihren Sternen führt in Kombination mit der geringeren Masse ultrakühler Sterne zu einem erkennbaren Signal, das die Anwesenheit des Planeten ankündigt, erklärte Mahadevan.

„Stellen Sie sich vor, ein Stern sei ein Lagerfeuer. Je kühler das Feuer wird, desto näher sind Sie an diesem Feuer, um warm zu bleiben“, sagte Mahadevan. „Das Gleiche gilt für die Planeten.“ Wenn der Stern kühler ist, muss der Planet näher an diesem Stern sein, damit er warm genug ist, um flüssiges Wasser zu enthalten. Wenn ein Planet eine Umlaufbahn hat, die nahe genug an seinem ultrakühlen Stern liegt, können wir ihn erkennen, indem wir eine sehr leichte Änderung in der Farbe oder im Licht der Spektren des Sterns beobachten, wenn er von einem umlaufenden Planeten gezogen wird.

Künstlerische Darstellung des möglichen Blicks von LHS 3154b auf seinen massearmen Mutterstern. 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 höchstaufgelösten Messungen von Infrarotsignalen von nahen Sternen.

„Die Entdeckung mit dem HPF war etwas ganz Besonderes, da es sich um ein neues Instrument handelt, das wir von Grund auf entworfen, entwickelt und gebaut haben, um unbekannte Planetenpopulationen um Sterne mit geringerer Masse zu untersuchen“, sagte Gumundur Stefansson. NASA Sagan Fellow für Astrophysik Princeton Universität und der Hauptautor des Artikels, der bei der Entwicklung des HPF mitgewirkt hat und als Doktorand an der Penn State University an der Studie gearbeitet hat. „Wir ernten jetzt die Früchte und erfahren neue und unerwartete Aspekte dieser aufregenden Planetengruppe, die einige nahegelegene Sterne umkreist.“

Das Tool hat bereits wichtige Informationen geliefert Entdeckung und Bestätigung Stefansson erklärte, dass es neue Planeten gebe, die Entdeckung des Planeten LHS 3154b jedoch alle Erwartungen übertroffen habe.

Überdenken der Planetenentstehungstheorien

„Basierend auf bestehenden Vermessungsarbeiten mit HPF und anderen Instrumenten ist ein Objekt wie das von uns entdeckte wahrscheinlich äußerst selten, daher war seine Entdeckung wirklich aufregend“, sagte Megan Delamere, Astronomie-Doktorandin an der Penn State und Mitautorin der Forschung Projekt. Papier. „Unsere aktuellen Theorien zur Planetenentstehung haben Schwierigkeiten, das zu erklären, was wir sehen.“

Delamere erklärte, dass im Fall des entdeckten massiven Planeten, der den Stern LHS 3154 umkreist, der aus den Messungen des Teams abgeleitete Kern des schweren Planeten eine größere Menge an festem Material in der Planetenscheibe erfordern würde, als aktuelle Modelle vorhersagen. Die Entdeckung wirft auch Fragen zum bisherigen Verständnis der Sternentstehung auf, da das Verhältnis von Masse und Staub zu Gas in der zirkumstellaren Scheibe wie LHS 3154 – als sie jung war und sich gerade bildete – zehnmal höher gewesen sein muss. Aus dem, was beobachtet wurde, um einen massiven Planeten wie den vom Team entdeckten zu bilden.

„Was wir entdeckt haben, stellt einen extremen Testfall für alle bestehenden Planetenentstehungstheorien dar“, sagte Mahadevan. „Genau dafür haben wir das 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 enger Umlaufbahn um einen massearmen Stern widerspricht Entstehungsmodellen“ von Gumundur Stefansson, Suvrath Mahadevan, Yamila Miguel, Paul Robertson, Megan Delamere, Shubham Kanodia, Caleb I. Kanias, Joshua N. Wynn, Joe B. Neenan, Ryan C. Therrien, Ray Holcomb, Eric B. Ford, Brianna Zawadzki, Brendan B. Bowler, Chad F. Bender, William D. Cochran, Scott Diddams, Michael Endell, Connor Frederick, Samuel Halverson, Fred Harty, Gary J. Hill, Andrea S. J. Lane, Andrew J. Metcalfe, Andrew Munson, Lawrence Ramsay, Arpita Roy, Christian Schwab, Jason T. Wright und Gregory Zeman, 30. November 2023, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.abo0233

Weitere Penn-State-Autoren des Artikels sind Eric Ford, Brianna Zawadzki, Fred Harty, Andrea Lin, Lawrence Ramsay und Jason Wright. Weitere Autoren dieses Artikels sind Joshua Wen von der Princeton University, Yamila Miguel von der Universität Leiden, Paul Robertson von der University of California, Irvine, Ray Holcomb von der University of California und Shubham Kanodia von der University of California. Carnegie Institution for ScienceCaleb Kanias vom Goddard Space Flight Center der NASA, Joe Neenan vom indischen Tata Fundamental Research Institute, Ryan Therrien vom Carleton College, Brendan Bowler, William Cochran, Michael Endel und Gary Hill von der University of Texas in Austin sowie Chad Bender von der University von Texas in Austin. University of Arizona, Scott Diddams, Connor Frederick und Andrew Metcalf von der University of Colorado, Samuel Halvorson vom Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology, Andrew Munson von der University of Arizona, Arpita Roy von der Johns Hopkins University, Christian Schwab von Macquarie University in Australien und Gregory Zeeman vom Hobby Telescope. Eberly an der University of Texas in Austin.

Diese Arbeit wurde vom Center for Exoplanets and Habitable Worlds an der Penn State, dem Space Grant Consortium of Pennsylvania, der National Aeronautics and Space Administration, der National Science Foundation und der Hysing-Simons Foundation finanziert.