Beiträge von abdabs

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    Langlebige Planeten : Ein Methusalem der Milchstraße

    So könnte das Planetensystem TOI-561 aussehen.

    So könnte das Planetensystem TOI-561 aussehen. Bild: Keck Observatory/Adam Makarenko

    Astronomen entdecken ein überraschendes Planetensystem: Der alte, „metallarme“ Stern TOI-561 wird von drei Planeten mit Gesteinskern umkreist. Der innerste ist sogar eine Supererde.


    Viereinhalb Milliarden Jahre brauchte das Leben, um sich auf der Erde bis zu seinem derzeitigen Höhenflug zu entwickeln. War das nun schnell oder eher langsam? Solange kein zweiter belebter Planet bekannt ist, bleibt die Antwort darauf offen. Für Planetologen erscheint es aber nur logisch, davon auszugehen: Je mehr Zeit für die Entstehung und Evolution von Lebendigem bleibt, desto besser ist es. Da hätte ein Planetensystem wie das des 280 Lichtjahre entfernten Sterns „TOI-561“ einen klaren Vorteil: Mit rund zehn Milliarden Jahren ist es nämlich mehr als doppelt so alt wie unser Sonnensystem. Das berichtete Lauren Weiss von der Universität von Hawaii in der vergangenen Woche auf einer virtuellen Tagung der American Astronomical Society.

    Die drei Exoplaneten des Systems besitzen jeweils einen festen Gesteinskern. Einer von ihnen, TOI-561b, ist offenbar ein vollständig felsiger Himmelskörper. Mit der dreifachen Masse sowie dem anderthalbfachen Radius unseres Heimatplaneten zählen ihn Weiss und ihre Kollegen damit zu den sogenannten „Super-Erden“. Entdeckt wurden die Planeten mit dem „Transiting Exoplanet Survey Satellite“ (Tess) der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa, der im April 2018 als Nachfolgemission des Weltraumteleskops Kepler gestartet wurde. Wie Kepler identifiziert Tess Planeten, die regelmäßig aus Sicht der Erde vor ihrem Stern vorbeiziehen und dabei dessen Licht kurzzeitig minimal abdunkeln. Mit dem Keck-Observatorium auf Hawaii konnten Weiss und ihr Team anschließend zwei der drei Planeten von TOI-561 auch anhand der von ihnen ausgelösten Taumelbewegung ihres Sterns bestätigen und deren Massen, Größen und somit auch ihre Dichten genau berechnen. Für TOI-561b, dem inneren der Planeten, ergab sich eine Dichte, die in etwa jener der Erde entspricht: Damit müsse der Himmelskörper wie die Erde aus Fels aufgebaut sein, schließen die Forscher. Die beiden Planeten TOI-561c und d besitzen zwar ebenfalls felsige Kerne. Die sind aber in ausgedehnte Atmosphären aus Gas eingehüllt, ähnlich wie die Planeten Uranus und Neptun im Sonnensystem.

    Unwirtliche Welt für Aliens

    Die Erkenntnisse der Forscher um Weiss waren für die Konferenzteilnehmer durchaus eine Überraschung: Denn der Stern TOI-561 enthält, wie sich bei den Analysen herausstellte, nur halb so viele schwere Elemente wie die Sonne. Diese von Astrophysikern „Metalle“ genannten Substanzen umfassen alle chemischen Elemente jenseits von Wasserstoff und Helium (also auch Nichtmetalle wie Sauerstoff oder Kohlenstoff). Sie waren im sehr frühen Universum noch nicht vorhanden und mussten erst im Laufe der Jahrmilliarden im Innern der ersten Sterne erbrütet werden. TOI-561 entstand offenbar in einer eher metallarmen Region der Milchstraße – und das schon vor langer Zeit. Anhand seiner Metallarmut ermittelten die Forscher um Weiss das hohe Alter des Sterns und seiner Planeten.



    Illustration des Weltraumteleskops „Tess“ der amerikanischen Weltraumbehörde Nasa. Illustration des Weltraumteleskops „Tess“ der amerikanischen Weltraumbehörde Nasa. : Bild: dpa


    Alte Sterne sind von Astronomen schon in großer Zahl aufgespürt worden. Die eigentliche Überraschung war, dass ein Stern wie TOI-561 trotz des Mangels an Metallen von großen, felsigen und damit metallreichen Planeten umkreist wird. Dass dies durchaus möglich sein sollte, ist von Wissenschaftlern erst vor kurzem festgestellt worden: So sagen moderne Theorien der Planetenentstehung voraus, dass ein Stern, sobald er nur zehn bis 30 Prozent der „Metallizität“ der Sonne aufweist, feste Planeten haben könnte. Das berichtet Jessie Christiansen vom California Institute of Technology und Mitglied von Weiss’ Team. Der Fund bei TOI-561 bestätigt diese Prognose. Man darf also davon ausgehen, dass felsige Planeten auch schon vor vielen Milliarden Jahren gang und gäbe waren, als die Galaxien noch wenige Metalle enthielten.



    Damit gab es womöglich auch lebensfreundliche Planeten – mit festen Oberflächen und dichten Atmosphären – bereits lange, bevor unsere Sonne mit ihren Planeten entstand. TOI-561 zählt zu den ältesten Sternen der Milchstraße: Er bildete sich, als das Universum weniger als ein Drittel seines heutigen Alters hatte. Weiss schlug in ihrem Vortrag vor, die Suche nach potentiell habitablen Welten gezielt auf metallarme Sterne auszudehnen und nicht nur auf sonnenähnliche Sterne zu konzentrieren. Ist Zeit ein Faktor, dann sollte die Chance auf höher entwickeltes Leben steigen, je länger ein Planet lebensfreundliche Bedingungen bietet.



    Ausgerechnet bei TOI-561b dürfte die Suche nach fortgeschrittenen Aliens aber aussichtslos sein. Selbst einfachste Mikroben haben auf ihm wohl keine Chance: Der Planet kreist in einem Abstand um seinen Stern, der gerade einmal ein Prozent des Abstands Erde–Sonne entspricht. Auf seiner Oberfläche herrschen daher Temperaturen um 2500 Grad. Er dürfte entsprechend von einem Magma-Ozean bedeckt werden.

    Unerklärlich leicht, zu kleiner Kern


    Widerspricht gängigen Modellen:


    „Zuckerwatte“-Planet verblüfft Astronomen




    Der Gasplanet WASP-107b hat eine so geringe...



    NASA/ESA, Hubble, M. Kornmesser Der Gasplanet WASP-107b hat eine so geringe Dichte und große Gashülle, das das Licht seines Sterns hindurchscheint.
    Der rund 212 Lichtjahre entfernte Gasriese WASP-107b hat eine verblüffend geringe Dichte. Er ist zwar so groß wie der Jupiter, aber zehnmal leichter, wie aktuelle Messungen bestätigen. Daher muss der Kern dieses Exoplaneten weit kleiner und masseärmer sein, als man es bei einem Gasriesen für möglich hielt. Das weckt die Frage, wie dieser extrasolare Gasplanet überhaupt entstehen konnte.

    Ob Jupiter und Saturn oder extrasolare Gasplaneten: Gängiger Theorie nach entstehen solche Gasriesen, wenn sie in der Frühzeit ihrer Planetensysteme einen mindestens zehn Erdmassen schweren festen Kern gebildet haben. Dessen Schwerkraft ist dann so groß, dass er selbst bei starkem Sternenwind eine dicke Gashülle festhalten kann.


    Heißer Jupiter mit Eigenheiten

    Doch es gibt einen Exoplaneten, der dieser Theorie widerspricht, wie nun aktuelle Beobachtungen von Astronomen um Caroline Piaulet von der Universität Montreal bestätigen. Der 2017 entdeckte Planet WASP-107b liegt rund 212 Lichtjahre von uns entfernt und umkreist seinen Stern sehr nah innerhalb von nur 5,7 Tagen. Erste Beobachtungsdaten sprachen bereits dafür, dass es sich bei WASP-107b wahrscheinlich um einen Gasriesen etwa von der Größe des Jupiter handelt.

    Jetzt haben Piaulet und ihr Team auch die Masse dieses Exoplaneten näher bestimmt. Dafür nutzten sie die Radialgeschwindigkeit - winzige Taumelbewegungen des Sterns WASP-107, die durch den Schwerkrafteinfluss seines Planeten verursacht werden. Aus ihnen lässt sich ermitteln, wie schwer der Planet ist und ob es möglicherweise noch andere Schwerkrafteinflüsse auf den Stern gibt.

    "Ein absoluter Außenseiter"

    Das überraschende Ergebnis: Der Gasplanet WASP107b bringt nur rund 30 Erdmassen auf die Waage – noch weniger als zuvor angenommen. Obwohl er so groß ist wie der Jupiter, hat er nur ein Zehntel von dessen Masse und wiegt etwa so viel wie der Neptun. "Diese geringe Masse kombiniert mit dem Jupiterradius macht WASP-107b zu einem absoluten Außenseiter im planetaren Massen-Radius-Diagramm", konstatieren die Astronomen.


    Aus diesen Merkmalen folgt, dass der extrasolare Gasriese eine ungewöhnlich geringe Dichte besitzt. Sein fester Kern kann den Modellrechnungen der Astronomen zufolge höchstens vier Erdmassen schwer sein. Rund 85 Prozent der Masse dieses Planeten macht demnach die Gashülle aus. "WASP-107b ist damit einer der fluffigsten Planeten im Massenbereich des Neptun, den wir bisher kennen", sagen Piaulet und ihr Team.

    Entstehung gibt Rätsel auf

    Das Merkwürdige daran: "Wie konnte sich ein Planet mit dieser geringen Dichte überhaupt bilden? Und wie hinderte er seine enorme Gashülle am Entweichen, vor allem angesichts der geringen Entfernung zu seinem Stern?", fragt Piaulet. Gängigen Modellen nach hatte der Kern von WASP107b eigentlich nicht genügend Schwerkraft, um das ganze Gas festhalten zu können. Doch die Existenz dieses Gasriesen verrät, dass es doch möglich sein muss.

    Um dem Entstehungsrätsel von WASP-107b auf die Spur zu kommen, haben die Astronomen mehrere Szenarien der Planetenbildung im Modell durchgespielt. Auf dieser Basis kommen sie zu dem Schluss, dass der Gasriese nicht in seiner jetzigen Umlaufbahn entstanden sein kann. Er muss stattdessen mehr als eine astronomische Einheit vom Stern entfernt zum Gasriesen herangewachsen sein. "Nur dort ist das Gas kalt genug, um eine schnelle Akkretion zu erlauben", erklärt Piaulet.

    Außerdem muss der Gasriese schon sehr früh mit dem Anreichern seines Gases begonnen haben. "Er konnte so fast das volle Ausmaß der galoppierenden Gasakkretion durchleben, bevor sein Gasnachschub abgeschnitten wurde", schreiben die Forscher. Dann jedoch muss der junge Planet aus seiner ursprünglichen Bahn geraten und weiter nach innen gedriftet sein – ähnlich wie der junge Jupiter in unserem Sonnensystem. Bei WASP-107b stoppte dies das weitere Wachstum und brachte ihn in seine heutige Position.

    Neuentdeckter Außenplanet als Katalysator?

    Einen möglichen Anstoß für die Wanderung von WASP-107b könnten Piaulet und ihr Team gefunden haben: Das subtile Taumeln des Zentralsterns verrät, dass es weiter außen noch einen zweiten Planeten geben muss. Dieser hat wahrscheinlich rund ein Drittel der Jupitermasse und ist damit schwerer als WASP-107b. Für einen Umlauf um seinen Stern benötigt der neuentdeckte Außenplanet WASP-107c rund drei Jahre und sein Orbit ist dabei deutlich exzentrisch.

    "In mancher Hinsicht legt WASP-107c damit Zeugnis von dem ab, was früher in diesem System passiert ist", sagt Piaulet. "Denn seine große Exzentrizität deutet auf eine chaotische Vergangenheit hin, in der Wechselwirkungen zwischen den Planeten zu Positionsveränderungen führten – wie wir es für WASP-107b vermuten."

    Offene Fragen bleiben

    Noch allerdings sind das Entstehungsrätsel von WASP-107b und die Geschichte seines Systems alles andere als komplett geklärt. Denn neben seiner ungewöhnlich geringen Dichte besitzt dieser Gasplanet auch ungewöhnlich wenig Methan in seiner Gashülle, wie Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop nahelegen. "Das ist merkwürdig, weil Methan bei dieser Art von Planeten reichlich vorhanden sein müsste", sagt Piaulet.

    Die Astronomen hoffen, durch weitere Beobachtungen des ungewöhnlichen Planeten mehr über WASP-107b und seine Geschichte herauszufinden. Auch das im Herbst 2021 startende James-Webb-Weltraumteleskop der NASA könnte dazu beitragen, indem es genauere Daten zur Atmosphäre dieses Gasplaneten liefert. (Astronomical Journal, 2021; doi: 10.3847/1538-3881/abcd3c)

    Quelle: Université de Montréal

    Dieser Artikel wurde verfasst von Nadja Podbregar

    Dunkle Energie: Sieben Galaxien und die Ewigkeit

    Eine neue Karte des Kosmos zeigt mehr als eine Milliarde Galaxien. Mit ihrer Hilfe wollen Forscher endlich die Dunkle Energie enträtseln.
    von Robert Gast

    Copeland Septett

    © KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/Legacy Imaging Survey /

    Copeland Septet group of galaxies

    / CC BY 4.0

    CC BY

    (Ausschnitt)

    Galaxien, überall Galaxien


    Wer mit einem Teleskop ins All hinausschaut, sieht nicht bloß die Sterne unserer Milchstraße, sondern auch andere Galaxien. Aber nur selten stehen sie so schön beisammen wie im so genannten Copeland Septett im Sternbild Löwe. Die Ansammlung von sieben Galaxien hat der britische Astronom Ralph Copeland bereits 1874 entdeckt. Doch noch immer eignet sie sich als Anschauungsmaterial dafür, was es in den Weiten des Alls zu entdecken gibt.

    Ganz aktuell haben Astronomen das Septett wieder einmal anvisiert, um damit auf ein ambitioniertes Projekt aufmerksam zu machen: Binnen sechs Jahren haben sie eine gigantische Himmelskarte erstellt, laut dem US-Forschungszentrum Noirlab die bisher größte ihrer Art. Drei Großteleskope waren dazu 1405 Nächte lang im Dienst und haben das halbe Firmament nach Galaxien abgesucht. Mehr als eine Milliarde Sterninseln konnten die Wissenschaftler am Ende in ihrem 1000 Terabyte großen Datensatz aufspüren. Die Karte, die aus zehn Billionen Pixeln besteht, ist auf einer eigens eingerichteten Homepage einsehbar.

    Die »DESI Legacy Imaging Survey« ist bloß eine Art Vorarbeit für ein noch ambitionierteres Kosmologie-Projekt: In den nächsten fünf Jahren wollen Astrophysiker 35 Millionen Galaxien aus der Datenbank genauer beobachten. Dabei wollen sie nicht nur die jeweilige Position am Himmel, sondern auch ihren ungefähren Abstand zu uns sowie ihre Relativgeschwindigkeit ermitteln.

    Hierfür haben sie extra eine Spezialkamera entwickelt, das Dark Energy Spectroscopic Instrument. Sie soll künftig am Kitt Peak National Observatory im US-Bundesstaat Arizona in den Himmel schauen. Mit ihren Daten lässt sich vermutlich besser nachvollziehen, wie sich der Kosmos in den vergangenen 13 Milliarden Jahren entwickelt hat. Das gilt als Voraussetzung dafür, das Wesen der rätselhaften Dunklen Energie zu entschlüsseln. Sie lässt das Weltall immer schneller expandieren, vergrößert also laufend den Abstand zwischen den Galaxien.

    Astronomen entdecken bislang ältestes Schwarzes Loch

    Forscher haben den bisher ältesten bekannten Quasar gesichtet. Doch der Blick in die Kinderstube des Universums wirft Fragen auf: Wie konnten Galaxien so früh so schnell entstehen?
    von Karin Schlott


    Illustration des fernsten und ältesten Quasars J0313-1806.

    © NOIRLab / NSF / AURA / J. da Silva /

    Artist's conception of the quasar J0313–1806

    / CC BY 3.0

    CC BY

    (Ausschnitt)



    Forscher haben 13,03 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt den bisher fernsten und ältesten Quasar ausfindig gemacht. Das Team um Feige Wang von der University of Arizona stellte die Entdeckung mit der Fachbezeichnung J0313-1806 auf einer Konferenz der American Astronomical Society vor. Wie die Astronomen demnächst auch in den »Astrophysical Journal Letters« berichten werden, zeigt sich der Quasar, in dem sich ein extrem massereiches Schwarzes Loch befindet, in einem Zustand, wie er 670 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah. Somit bietet J0313-1806 einen Blick in die Frühzeit des Universums, denn es hatte damals erst rund fünf Prozent seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren erreicht.

    Die Beobachtung gelang Wang und seinen Kollegen mit einer Reihe von weltweit platzierten Großteleskopen, unter anderem Gemini North auf Hawaii und Gemini South in Chile. Quasare sind die extrem hellen Zentren von aktiven Galaxien. Ihre hohe Leuchtkraft entsteht, weil das äußerst massereiche Schwarze Loch im Kern große Mengen der Materie in seinem Umfeld verschlingt. Dabei entsteht um das Schwarze Loch auch die typische Akkretionsscheibe, quasi ein gigantischer Materiestrudel. Die Akkretionsscheibe heizt sich in diesem Prozess sehr stark auf und gibt die Wärme in Form von Strahlung ab, die das gesamte elektromagnetische Spektrum abdeckt – und eine extreme Leuchtkraft besitzt.

    Der Quasar J0313-1806 besteht aus einem extrem massereichen Schwarzen Loch mit 1,6 Milliarden Sonnenmassen. Es strahlt zirka 1000-mal so hell wie das gesamte Milchstraßensystem. Die kosmologische Rotverschiebung, die ein Maß für die Entfernung ist, liegt für diesen Quasar bei einem Wert von z = 7,642. Mit der Rotverschiebung ermitteln Astronomen die Entfernung von der Erde und bestimmen auch das Alter eines kosmischen Objekts. Dabei gilt: Je höher die Rotverschiebung, desto weiter entfernt und älter ist ein Himmelsobjekt. In diesem Fall befindet sich die Galaxie von J0313-1806 bei zirka 13,03 Milliarden Lichtjahren, in einem Alter von nur 670 Millionen Jahre nach dem Urknall.

    Für Feige Wang und sein Team sorgt die Entdeckung für neue Forschungsfragen darüber, wie Galaxien so früh entstanden sein können: »Schwarze Löcher, die aus den ersten massereichen Sternen hervorgegangen sind, können eigentlich nicht innerhalb weniger hundert Millionen Jahre so groß geworden sein«, sagt der Astronom laut einer Pressemitteilung des beteiligten Noirlab. Eine derart frühe Wechselwirkung zwischen einem Schwarzen Loch und seiner umgebenden Galaxie hätten Astronomen laut Wang bisher noch nicht beobachtet.

    Den bisherigen Rekordhalter unter den Quasaren entdeckten Forscher im Jahr 2017 in einer Entfernung von 13,01 Milliarden Lichtjahren. Im Kern dieser Galaxie befindet sich ein Schwarzes Loch mit etwa 800 Millionen Sonnenmassen.

    Astronomen einig: So alt ist unser Universum

    08 Januar, 2021

    Wie alt unser Universum? Nachdem 2019 Forscher das bis dahin angenommene Alter von knapp 14 Milliarden Jahren in Frage gestellt hatten, wurde über die Notwendigkeit eines neuen Modells zur Berechnung diskutiert. Die Debatte dürfte nun ein Ende gefunden haben.

    Von einem Observatorium hoch über der chilenischen Atacamawüste aus haben Astronomen einen neuen Blick auf das älteste Licht im Universum geworfen. Ihre Beobachtungen und Berechnungen legen nahe, dass das Universum 13,77 Milliarden Jahre alt ist - plus/minus 40 Millionen Jahre.

    Neue Zahlen stützen alte Berechnung

    Die neue Schätzung, die sich auf Daten des Atacama Cosmology Telescope (ACT) der National Science Foundation stützt, stimmt mit dem Standardmodell des Universums überein, ebenso wie mit Messungen desselben Lichts durch den Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation, der von 2009 bis 2013 Überreste des Urknalls gemessen hat.

    2019 errechnete ein Forscherteam, das die Bewegungen von Galaxien misst, dass das Universum Hunderte von Millionen Jahren jünger ist als vom Planck-Team vorhergesagt. Diese Diskrepanz legte nahe, dass ein neues Modell für das Universum benötigt werden könnte, und löste Bedenken aus, dass eine der Messreihen falsch sein könnte.

    „Spricht dafür, dass diese schwierigen Messungen zuverlässig sind“

    „Jetzt haben wir eine Antwort gefunden, bei der Planck und ACT übereinstimmen“, sagte Simone Aiola in einer Pressemitteilung der Cornell University.

    Aiola forscht am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute und ist Erstautorin einer von zwei Arbeiten, die zu den jüngsten Messungen und Berechnungen aus Chile veröffentlicht worden sind. „Das spricht dafür, dass diese schwierigen Messungen zuverlässig sind.“

    Die Forschung, an der Wissenschaftler der Cornell University beteiligt waren, wurde im Fachblatt „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics“ veröffentlicht.