Wo die Unterschiede zwischen Sternen und Planeten verwischen:
Einsame Planeten helfen beim Verständnis der Sternentstehung

9. Oktober 2013

Eine Gruppe von Astronomen, zu der auch Niall Deacon vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) gehört, hat ein Bild eines ungewöhnlichen frei im All treibenden Planeten aufgenommen. Ohne Heimatstern ist das Objekt ungleich einfacher zu untersuchen als ein normaler Planet und verspricht neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von Planetenatmosphären. Zu der Frage, wie sich derart massearme Einzelobjekte bilden, liefern unabhängige Beobachtungen von Viki Joergens (MPIA) und Kollegen neue Daten: Die Astronomen fanden heraus, dass ein ganz ähnliches massearmes Objekt auf die gleiche Weise geboren wird wie ein junger Stern – eine wichtige Information für unser Verständnis der Sternentstehung.

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Früher war alles einfacher. Zum einen waren da Sterne: riesige, selbstleuchtende Gaskugeln. Dann gab es noch Planeten, mit sehr viel geringerer Masse, die das Licht ihres Heimatsterns jeweils nur reflektierten. Sterne entstehen aus dem Kollaps gigantischer Gaswolken; Planeten bilden sich in der Gas- und Staubscheibe rund um einen jungen Stern. Irgendwo dazwischen lagen, etwas weniger eindeutig, Braune Zwerge: Weniger massereich als ein Stern, so dass tief in ihrem Inneren keine Kernfusionsreaktionen einsetzen konnten, aber massereicher als Planeten.

Nun haben zwei neue Entdeckungen die Grenze zwischen diesen verschiedenen Objektsorten noch weiter verwischt: sie zeigen, dass auch frei im All treibende Objekte mit ähnlicher Masse wie die Planeten auf die gleiche Weise entstehen können wie Sterne.

Die erste Entdeckung gelang einem internationalen Astronomenteam unter der Leitung von Michael Liu von der Universität Hawaii. Die Astronomen entdeckten mit dem Pan-STARRS1 (PS1)-Teleskop auf Hawaii ein exotisches junges Himmelsobjekt mit gerade einmal dem sechsfachen der Jupitermasse, das für sich allein durch den Weltraum treibt – ganz ohne Heimatstern.


Das Objekt mit der Katalognummer PSO J318.5-22 befindet sich von der Erde aus gesehen in einem Abstand von nur 80 Lichtjahren im Sternbild Steinbock. Es hat ähnliche Eigenschaft wie die gigantischen Gasplaneten, die man in der Nähe einiger junger Sterne gefunden hat. Mit rund 12 Millionen Jahren ist das Objekt, gemessen an den Zeitskalen der Stern -und Planetenentstehung, noch recht jung.

Seit 1995 haben Astronomen rund tausend Exoplaneten entdeckt – allerdings fast immer nur auf indirektem Wege, über ein leichtes Schlingern oder eine leichte Verdunkelung des Heimatsterns, die sich auf einen Planeten zurückführen lassen. Nur von einer Handvoll von Exoplaneten gibt es Abbildungen – und zwar jeweils von Planeten mit jungen Heimatsternen (weniger als 200 Millionen Jahre alt). In Masse, Farbe und Energieausstoß hat PSO J318.5-22 große Ähnlichkeit mit den auf diesen Abbildungen sichtbaren Objekte.

Niall Deacon vom Max-Planck-Institut für Astronomie, einer der Koautoren des Fachartikels, welcher die Entdeckung beschreibt, erklärt, warum der Fund für die Astronomen ein Glücksfall ist: »Es ist ungemein schwierig, die bisherigen Planeten, von denen es Abbildungen gibt, eingehender zu untersuchen. Direkt neben dem Planeten leuchtet schließlich jeweils der sehr viel hellere Heimatstern. PSO J318.5-22 dagegen kreist nicht um einen Stern und wird sich daher ungleich einfacher untersuchen lassen. Davon erhoffen wir uns Erkenntnisse über die Eigenschaften und Strukturen von Gasriesen wie Jupiter in einer frühen Phase ihrer Entwicklung.«

Mit einer Masse von nur sechs Jupitermassen ist PSO J318.5-22 eines der masseärmsten frei im All treibenden Objekte, die außerhalb unseres Sonnensystems nachgewiesen werden konnten – womöglich sogar das masseärmste. Herkömmliche Planeten werden in Gas- und Staubscheiben rund um ihren in Entstehung befindlichen Heimatstern geboren. Aber wie ist es mit Einzelobjekten so geringer Masse? Können sich frei treibende Objekte, aber z. B. auch Braune Zwerge ganz allgemein, auf die gleiche Weise bilden wie herkömmliche Sterne? Eine umfangreiche Untersuchung, die zeitgleich von einer weiteren Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Viki Joergens (MPIA) veröffentlicht wurde, legt das nahe.

Joergens und ihre Kollegen untersuchten ein Objekt mit der Katalognummer OTS44, das nur rund 2 Millionen Jahre alt ist – auf den Zeitskalen der Planeten- und Sternentstehung ein neugeborenes Baby. Das Objekt hat eine Masse von schätzungsweise 12 Jupitermassen (also etwas mehr als PSO J318.5-22). Es treibt ebenfalls alleine, ohne Heimatstern durch das All – allerdings in einem durchaus geselligen Gebiet: OTS44 ist Teil der Chamaeleon-Sternentstehungsregion im südlichen Sternbild Chamaeleon in einem Abstand von etwas mehr als 500 Lichtjahren von der Erde. Dort werden zahlreiche neue Sterne aus dem Kollaps von Gas- und Staubwolken geboren.

Genau wie ein junger Stern ist OTS44 von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben. Und, wie Joergens und ihre Kollegen zeigen konnten: Die Geburt ist noch gar nicht ganz abgeschlossen. Die Astronomen zerlegten das Licht von OTS44 mit Hilfe des SINFONI-Spektrografen am Very Large Telescope der ESO in Chile in seine Bestandteile. Dabei fanden sie Anzeichen dafür, dass OTS44 auch jetzt noch Materie aus der ihn umgebenden Scheibe auf sich zieht. Joergens sagt: »Unsere Beobachtungen zeigen, dass der Stern OTS44 auch jetzt noch Gas auf sich zieht und so seine Masse erhöht.«

Durch den Vergleich von Daten verschiedener Teleskope – unter anderem des Weltraumteleskops Herschel – mit einem sorgfältig rekonstruierten Modell des freifliegenden Planeten konnten Joergens und ihre Kollegen außerdem nachweisen, dass die Scheibe, die OTS44 umgibt, mindestens 30 Mal soviel Masse in sich vereint wie die Erde. Anzeichen für die Scheibe selbst waren bereits zuvor von anderen Astronomen nachgewiesen worden. Sowohl die beachtliche Scheibe und das einfallende Material (Akkretion) sind klare Hinweise auf Entstehungsprozesse, wie sie für die Sternentstehung typisch sind. Zumindest von der Entstehung her scheint es keinen grundlegenden Unterschied zwischen Objekten wie OTS44 und herkömmlichen Sternen zu geben. OTS44 hat dabei mit die niedrigste, vielleicht sogar die allerniedrigste Masse aller Objekte, bei denen je eine Scheibe und einfallendes Material nachgewiesen werden konnten.

Joergens fährt fort: »Wenn PSO J318.-22 ein junges Himmelsobjekt ist, dann ist OTS44 ein regelrechtes Neugeborenes – und wir sehen, dass es genau so geboren wird wie ein normaler Stern. Für die Forscher, die sich mit der Sternentstehung beschäftigen, ist das eine Schlüsselinformation: Von Sternen bis hinunter zu Einzelobjekten mit der Masse von Planeten laufen die gleichen Prozesse ab.«

Beide Objekte fügen sich nicht recht in die existierenden Kategorien ein. Einsamer Planet oder Brauner Zwerg mit extrem geringer Masse – wer auf Nummer sicher gehen möchte, der sollte allgemeiner von frei schwebenden Objekten mit planetaren Massen reden. Hubert Klahr (MPIA), ein Experte für die Simulation von Stern- und Planetenentstehung, der nicht an der hier beschriebenen Forschung beteiligt war, kommentiert: »Hier haben wir ein weiteres Zeichen dafür, dass unsere herkömmliche Einteilung von Planeten und Sternen, bei der man die Masse als Anhaltspunkt nimmt, uns nichts über die innere Struktur oder die Entstehungsgeschichte solcher Objekte sagt.«


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Hintergrundinformationen

Die Entdeckung der massereichen Scheibe und beachtlichen Akkretion auf OTS44 wird in den Astronomy & Astrophysics Letters veröffentlicht. Die Autoren sind Viki Joergens (Max-Planck- Institut für Astronomie [MPIA] und Institut für theoretische Astrophysik, Universität Heidelberg), Mickael Bonnefoy (MPIA), Yao Liu (Purple Mountain Observatory), Amelia Bayo (MPIA), Sebastian Wolf (Universität Kiel), Gael Chauvin (Institute of Planetology & Astrophysics Grenoble) sowie Patricio Rojo (University of Chile).

• ADS-Datenbankeintrag für den OTS44-Artikel


Die Entdeckung von PSO J318.5-22 wird in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Die wichtigsten Autoren des Artikels sind Michael Liu, Eugene Magnier (beide IfA), Niall Deacon (MPIA), Katelyn Allers (Bucknell University), Trent Dupuy (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) sowie Michael Kotson und Kimberly Aller (beide University of Hawaii at Manoa).

• ADS-Datenbankeintrag des PSO J318.5-22-Artikels


Pan-STARRS (für Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System) nutzt die einzigartige Kombination der besonders guten Beobachtungsbedingungen auf Hawaii mit der dort und an den Partnerinstituten des internationalen Konsortium vorhandenen technischen und wissenschaftlichen Expertise. Entwicklung und Konstruktion des Geräts wurde von der US-Amerikanischen Luftwaffe unterstützt, der Betrieb wird durch die beteiligten internationalen Institute sichergestellt. In der endgültigen Ausbaustufe mit vier Teleskopen wird Pan-STARRS eine viermal so große Lichtsammelkraft wie PS1 haben. Pan-STARRS ist die erste große Durchmusterung im sichtbaren Licht seit dem zehnjährigen Sloan Digital Sky Survey (SDSS); im Gegensatz zum SDSS erfasst Pan-STARRS aber auch die Ebene unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Pan-STARRS sammelt wie SDSS optische und Infrarot-Daten in den Standardfarbfiltern g, r, i und z, zusätzlich aber auch im y-Band, um die guten Detektoreigenschaften von Pan-STARRS im nahen Infrarot auszunutzen.

Die PS1-Himmelsdurchmusterungen sind nur möglich durch die Beiträge des wissenschaftlichen Konsortiums von PS1 (PS1SC, ps1sc.org). Ein Drittel der Beiträge leistet das Institute for Astronomy, University of Hawaii, wo auch der Pan-STARRS Project Office angesiedelt ist. Ein weiteres Drittel entfällt auf die Max-Planck-Gesellschaft und ihre beteiligten Institute, das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. Das letzte Drittel der Beiträge stammt von einer Gruppe vornehmlich britischer und amerikanischer Institutionen: Johns Hopkins University; University of Durham; University of Edinburgh; Queen's University Belfast; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics; Los Cumbres Observatory Global Telescope Network, Inc.; National Central University of Taiwan.

Frei im All treibende Objekte mit niedriger Masse wie PSO J318.5-22 zu finden war ein wichtiges Ziel der PS1-Durchmusterung.


Herschel ist ein Weltraumobservatorium der ESA, dessen wissenschaftliche Instrumente von wissenschaftlichen Konsortien unter europäischer Leitung entworfen und gebaut wurden, inklusive wichtiger Beiträge der PACS wurde von einem Zusammenschluss mehrerer Institute unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik (Deutschland) entwickelt, darunter: UVIE (Österreich); KU Leuven, CSL, IMEC (Belgien); CEA, LAM (Frankreich); Max-Planck-Institut für Astronomie (Deutschland); INAF-IFSI/OAA/OAP/OAT, LENS, SISSA (Italien); IAC (Spanien). Diese Entwicklung wurde von BMVIT (Österreich), ESA-PRODEX (Belgien), CEA/CNES (Frankreich), DLR (Deutschland), ASI/INAF (Italien), und CICYT/MCYT (Spain) unterstützt.

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Fragen und Antworten

Welche Teleskope, Instrumente und weiteren Ressourcen wurden für die Untersuchung des Objekts OTS44 benutzt, und welche Beobachtungen gab es?
OTS44 wurde erstmals 1999 von Oasa, Tamura und Sugitani als Objekt mit extrem niedriger Masse in der Chamäleon-Sternentstehungsregion identifiziert. Die Abkürzung "OTS" in der Katalognummer stammt von den Anfangsbuchstaben der drei Entdecker. Erstmals zweifelsfrei als substellares Objekt – masseärmer als ein Stern – wurde OTS44 im Jahre 2004 von Kevin Luhman. Luhman zeigte, dass die Masse des Objekts nahe der Grenze hin zu den Planetenmassen lag; dies wurde später von Mickael Bonnefoy (MPIA) bestätigt. Es ist im Moment nicht möglich, die genaue Masse von OTS44 zu bestimmen; Schätzungen liegen zwischen 6 und 17 Jupitermassen mit einem Durchschnittswert von 12 Jupitermassen.

Joergens und ihre Kollegen beobachteten OTS44 im Nahinfraroten mithilfe des SINFONI-Spektrografen am Very Large Telescope der ESO in Chile, und entdeckten damit starke Wasserstoffemissionen in der sogenannten Paschen-Beta-Linie, die darauf hinweisen, dass OTS44 größere Mengen von Material aus der umgebenden Scheibe auf sich zieht. Die Astronomen fanden auch heraus, dass sich die Materialmenge, die ihren Weg auf OTS44 findet, mit der Zeit variiert. Zusätzlich analysierten die Wissenschaftler ein von Kevin Luhman mit dem IMACS-Spektrografen am Magellan I-Teleskop aufgenommenes optisches Spektrum. Sie fanden auch in diesem Spektrum starke Wasserstoff-Emissionslinien von OTS44 – in diesem Falle in der sogenannten H-Alpha -Linie. Dies ist ein weiterer Hinweis darauf, dass nach wie vor Materie aus der Scheibe auf OTS44 fällt.

Weiterhin kombinierten die Wissenschaftler Daten verschiedener Teleskope um die von OTS44 empfangene Strahlung bei allen Wellenlängen vom sichtbaren Licht zum Nahinfraroten und Ferninfraroten zu untersuchen – darunter Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Herschel von Paul Harvey, Thomas Henning (MPIA) et al. Im Vergleich dieser Daten mit einem genau konstruierten Modells des frei im All schwebenden Planeten und der ihn umgebenen Scheibe (Anzeichen für die Scheibe hatte Luhman vorher bereits mit dem Spitzer-Teleskop ausfindig machen können) konnten die Forscher zeigen, dass die Scheibe eine gehörige Masse besitzt, nämlich mindestens 30 Mal die Masse der Erde. Bei dieser Rekonstruktion kamen theoretische Modelle für den Beitrag des Zentralobjekts von France Allard und für den Beitrag der Scheibe von Sebastian Wolf und Yao Liu zum Einsatz.


Welche Teleskope und Instrumente wurden bei der Entdeckung des Einzelobjekts PSO J318.5-22 eingesetzt, und was wurde beobachtet?
PSO J318.5 -22 wurde während einer Suche nach Braunen Zwergen entdeckt, die das Pan-STARRS1 (PS1) Durchmusterungsteleskop auf Haleakala, Maui nutzte, welches ein besonders weites Bildfeld besitzt. Braune Zwerge, also »verhinderte Sterne«, sind deutlich massereicher als Planeten. Aufgrund ihrer niedrigen Temperatur haben Braune Zwerge eine sehr rote Farbe und sind extrem lichtschwach. Um solche Objekte trotz dieser Schwierigkeit zu finden, haben Liu und seine Kollegen die nächtlich aufgenommenen PS-1-Daten durchsucht, denn PS-1 scannt den Himmel jede Nacht mit Detektoren, die empfindlich genug sind, um die schwachen Wärme-Signaturen von Braunen Zwergen zu erkennen. Unter ihren vielen Entdeckungen stach PSO J318.5 -22 als Sonderling hervor – röter als auch die rötesten bekannten Braunen Zwerge.

PS1 produziert pro Nacht eine Datenmenge in der Größenordnung von 60.000 iPhone-Fotos. Die gesamte PS-1-Datenmenge ist mit rund 4000 Terabyte größer als das digitale äquivalent aller jemals produzierten Filme, Bücher, und Musikstücke.

Nachfolgebeobachtungen des Teams erfolgten mithilfe mehrerer Teleskope auf dem Gipfel des Mauna Kea, ebenfalls auf Hawaii. Infrarot-Spektren, die mit dem NASA Infrared Telescope Facility und dem Gemini-Nord- Teleskop aufgenommen wurden, zeigen, dass es sich bei PSO J318 -22 wohl nicht um einen Braunen Zwerg handelt. Vielmehr passen die Signaturen in seinerm Infrarot-Licht am besten auf ein junges, massearmes Objekt mit wolkenreicher Atmosphäre.

Durch die regelmäßige überwachung der Position von PSO J318.5-22 über einen Zeitraum von zwei Jahren mit dem Canada-France-Hawaii Telescope konnte das Team auf Basis von Parallaxenmessungen eine Entfernung von 80 Lichtjahren von der Sonne bestimmen. Aufgrund dieser Entfernung und der Bewegung des Objekts durch den Raum schloss das Team, dass PSO J318 -22 Mitglied der Beta-Pictoris-Gruppe ist, einer Gruppe junger Sterne, die etwa vor 12 Millionen Jahren entstanden ist. übrigens wird der Namensgeber der Gruppe, der Stern Beta Pictoris, selbst von einem jungen Gasriesenplaneten umkreist.


Worum geht es bei dem Klassifikationsproblem Stern – Planet – Brauner Zwerg?
Ein Stern besitzt hinreichend viel Masse, dass im Anschluss an seine Entstehung in seinem Zentrum Kernfusion (Wasserstoffbrennen) einsetzt. Ein Brauner Zwerg ist ein Objekt, dass die für dieses Wasserstoffbrennen nötige Mindestmasse nicht erreicht – ein »gescheiterter Stern«. Der von der Internationalen Astronomischen Union gesetzten Definition nach besitzt ein Brauner Zwerg allerdings hinreichend viel Masse, dass es in seinen äußeren Schichten zu kurzlebigen Kernfusionsreaktionen von schwerem Wasserstoff (Deuterium) kommen kann. Das unterscheidet einen Braunen Zwerg von einem Planet, der noch weniger Masse besitzt. Die Minimalmasse für Deuteriumbrennen wird auf um die 13 Jupitermassen geschätzt. Dieser Definition nach wäre OTS44 möglicherweise noch ein brauner Zwerg, PSO J318.5-22 dagegen wahrscheinlich ein Einzelplanet.

Andere Astronomen argumentieren, die Linie zwischen Braunen Zwergen und Planeten solle besser anhand der Entstehungsgeschichte der verschiedenen Objekte gezogen werden. Brauner Zwerg wäre damit alles, was sich auf die gleiche Weise bildet wie ein Stern – nämlich aus dem Kollaps einer Gas- und Staubwolke, nicht wie Planeten in einer Scheibe um einen jungen Stern. Dieser Definition nach wären OTS44 und PSO J318.5-22 Braune Zwerge mit sehr geringer Masse.

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