Rätselhaft: Riesenplanet umkreist kleinen Stern

Beobachtungen des höchst ungewöhnlichen – manchmal auch als „verboten“ bezeichneten – Exoplaneten TOI-5205 b durch das JWST deuten darauf hin, dass die Atmosphäre des Riesenplaneten weniger schwere Elemente enthält als sein Zentralstern. Diese Erkenntnisse haben Auswirkungen auf unser Verständnis der Entstehung von Riesenplaneten in der frühen Lebensphase eines Sterns.

Die diese Woche im The Astronomical Journal veröffentlichten   Ergebnisse stellen die Gemeinschaftsarbeit eines internationalen Astronomenteams unter der Leitung von Caleb Cañas vom NASA Goddard Space Flight Center und unter Beteiligung von Shubham Kanodia von Carnegie Science dar .

TOI 5205 b ist ein Planet von der Größe Jupiters, der einen Stern umkreist, der selbst etwa viermal so groß wie Jupiter und etwa 40 Prozent der Sonnenmasse besitzt. Wenn er vor seinem Stern vorbeizieht – ein Phänomen, das Astronomen als „Transit“ bezeichnen –, blockiert der Planet etwa sechs Prozent seines Lichts. Durch die Beobachtung dieses Transits mit Teleskopinstrumenten, sogenannten Spektrographen, die das Licht in seine Spektralfarben zerlegen, können Astronomen versuchen, die atmosphärische Zusammensetzung des Planeten zu entschlüsseln und mehr über seine Geschichte und seine Beziehung zu seinem Stern zu erfahren.

Planeten entstehen aus der rotierenden Gas- und Staubscheibe, die einen Stern in seiner Jugend umgibt. Es gilt als allgemein anerkannt, dass sich Riesenplaneten in diesen Wolkenscheiben bilden, die aus der Entstehung des Zentralsterns resultieren. Die Existenz massereicher Planeten wie TOI-5205b, die kühle Sterne in geringem Abstand umkreisen, wirft jedoch viele Fragen zu diesem Prozess auf.

Um dies genauer zu beleuchten, leiten Kanodia, Cañas und Jessica Libby-Roberts von der University of Tampa das größte Exoplanetenprogramm des JWST Cycle 2,  Red Dwarfs and the Seven Giants , das zur Untersuchung unwahrscheinlicher Welten wie TOI-5205 b – manchmal auch GEMS (für gigantische Exoplaneten um M-Zwergsterne) genannt – konzipiert wurde.

Bereits 2023 leitete Kanodia die Bemühungen, die die Existenz von TOI-5205 b bestätigten. Diese knüpften an Informationen des NASA-Weltraumteleskops TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) an, das den Himmelskörper erstmals als Planetenkandidaten identifiziert hatte. Nun leitet er gemeinsam mit einem Kollegen das Team, das die ersten Beobachtungen seiner atmosphärischen Zusammensetzung durchführte.

Ihre Beobachtungen von drei Transits von TOI5205-b enthüllten etwas, das die Astronomen nicht ohne Weiteres erklären konnten. Sie waren überrascht festzustellen, dass die Atmosphäre des Planeten eine geringere Konzentration an schweren Elementen – im Verhältnis zu Wasserstoff – aufweist als ein Gasriese in unserem Sonnensystem wie Jupiter. Sie besitzt sogar eine geringere Metallizität als ihr Zentralstern. Dies hebt sie von allen bisher untersuchten Riesenplaneten ab.

Darüber hinaus zeigten die Transits, wenn auch weniger überraschend, Methan (CH?) und Schwefelwasserstoff (H?S) in der Atmosphäre von TOI-5205-b.  

Um ihre Ergebnisse in einen Kontext zu setzen, verwendeten die Teammitglieder Simon Muller und Ravit Helled von der Universität Zürich ausgeklügelte Modelle des Planeteninneren, um vorherzusagen, dass die gesamte Zusammensetzung von TOI5205-b etwa 100 Mal metallreicher ist als seine Atmosphäre, gemessen anhand der Transits.

„Wir haben eine deutlich geringere Metallizität beobachtet, als unsere Modelle für die Gesamtzusammensetzung des Planeten vorhergesagt haben. Diese Zusammensetzung wird anhand von Messungen der Planetenmasse und des Radius berechnet. Das deutet darauf hin, dass die schweren Elemente während der Entstehung nach innen gewandert sind und sich das Innere nun nicht mehr mit der Atmosphäre vermischt“, erklärte Kanodia. „Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse auf eine sehr kohlenstoffreiche und sauerstoffarme Planetenatmosphäre hin.“