Ein möglicher neuer Indikator für die Entstehung von Exoplaneten

Erste Messung von Isotopen in der Atmosphäre eines Exoplaneten

14. Juli 2021

Ein internationales Team von Astronomen, darunter Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie, hat als erstes weltweit Isotope in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen. Es handelt sich dabei um verschiedene Formen von Kohlenstoff in TYC 8998-760-1 b, einem Gasriesen in 300 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Musca (Fliege). Das schwache Signal wurde mit dem Very Large Telescope der ESO in Chile gemessen und scheint darauf hinzuweisen, dass der Planet relativ reich an Kohlenstoff-13 ist. Die Astronomen vermuten, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass sich der Planet in großer Entfernung von seinem Mutterstern gebildet hat. Die Untersuchung wird in der Fachzeitschrift Nature erscheinen.

Zeichnung zur Entdeckung von Kohlenstoff-13 in der Atmosphäre eines Exoplaneten. In Wirklichkeit saßen die Astronomen hinter ihren Schreibtischen und analysierten die Spektren des Exoplaneten TYC-8998 b, die mit dem Very Large Telescope der ESO in Chile aufgenommen wurden.

Isotope sind verschiedene Formen des gleichen Atoms, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen im Kern. Zum Beispiel hat Kohlenstoff mit sechs Protonen typischerweise sechs Neutronen (Kohlenstoff-12), aber gelegentlich auch sieben (Kohlenstoff-13) oder acht (Kohlenstoff-14). Diese Eigenschaft ändert nur wenig an den chemischen Eigenschaften des Kohlenstoffs. Dennoch bilden sich Isotope auf unterschiedliche Weise und reagieren oft etwas anders auf die vorherrschenden Bedingungen. Isotope erlauben daher den Einsatz in einer Vielzahl von Forschungsgebieten: von der Erkennung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Krebs über die Untersuchung des Klimawandels bis hin zur Altersbestimmung von Fossilien und Gesteinen.

Astronomen aus mehreren Ländern, darunter Paul Mollière vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, entdeckten ein ungewöhnliches Verhältnis zwischen diesen Isotopen in der Atmosphäre des jungen Riesenplaneten TYC 8998-760-1 b. Der Kohlenstoff liegt vor allem in Form von CO (Kohlenmonoxid)-Gas vor. Der Planet selbst weist eine Masse von etwa 14 Jupitermassen auf und ist fast doppelt so groß wie Jupiter. Daher bezeichnen Astronomen ihn als Super-Jupiter.

Die Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Erstautorin Yapeng Zhang, einer Doktorandin am Observatorium Leiden in den Niederlanden, konnte Kohlenstoff-13 von Kohlenstoff-12 erfolgreich unterscheiden, weil es Strahlung in leicht unterschiedlichen Farben absorbiert. „Diese Messung in einer Exoplanetenatmosphäre ist wirklich etwas ganz Besonderes, und das in einer so großen Entfernung“, sagt Zhang. Die Astronomen hatten erwartet, dass etwa eines von 70 Kohlenstoff-Atomen Kohlenstoff-13 ist, aber bei diesem Planeten scheint es doppelt so viel zu sein. Die Idee ist, dass der höhere Anteil von Kohlenstoff-13 mit der Entstehung des Exoplaneten zusammenhängt.

Illustration der Geburtsumgebung von Planeten in einer proto-planetaren Scheibe, die sich um einen jungen Stern gebildet hat. Die beiden Planeten innerhalb der CO-Schneelinie repräsentieren Jupiter und Neptun an ihren aktuellen Positionen, während TYC 8998 b weit außerhalb dieses Bereichs entstanden ist. In einer solchen Entfernung vom Mutterstern wird erwartet, dass der meiste Kohlenstoff im CO-Eis eingeschlossen wurde und das Hauptkohlenstoffreservoir des Planeten bildete. Folglich war das Eis reich an Kohlenstoff-13, was zu dem beobachteten Isotopenverhältnis in der Atmosphäre des Planeten führte.

Mollière erklärt: „Der Planet ist mehr als einhundertfünfzig Mal weiter von seinem Mutterstern entfernt als unsere Erde von unserer Sonne. Bei einer so großen Entfernung haben sich möglicherweise Eise mit mehr Kohlenstoff-13 gebildet, was den höheren Anteil dieses Isotops in der heutigen Atmosphäre des Planeten verursacht.“ Vermutlich hängt die Anreicherung von Kohlenstoff-13 mit dem Ausfrieren von CO in den planetenbildenden protoplanetaren Scheiben zusammen. In diesem Fall könnte dies bedeuten, dass die Planeten im Sonnensystem nicht viel kohlenstoff-13-reiches Eis angesammelt haben. Ein Grund dafür könnte sein, dass im Sonnensystem die Entfernung, jenseits derer CO aus der Gasphase herauszufrieren beginnt, bekannt als die CO-Schneelinie, außerhalb der Umlaufbahn des Neptun liegt. Daher ist es wahrscheinlich, dass CO-Eis nur selten in die Planeten des Sonnensystems eingebaut wurde, was zu einem höheren Isotopenverhältnis führt. Mollière schrieb die Software zur Datenanalyse und trug zur Interpretation der Ergebnisse bei.

Der Exoplanet selbst, TYC 8998-760-1 b, wurde erst vor zwei Jahren von dem Leidener Doktoranden Alexander Bohn, Mitautor des Artikels, entdeckt. Er fügt hinzu: „Es ist großartig, dass diese Entdeckung in der Nähe »meines« Planeten gemacht wurde. Es wird wahrscheinlich die erste von vielen sein.

Ignas Snellen, Professor in Leiden und seit vielen Jahren die treibende Kraft hinter diesem Thema, ist besonders stolz. „Die Erwartung ist, dass die Isotope in Zukunft weiter helfen werden, genau zu verstehen, wie, wo und wann Planeten entstehen. Dieses Ergebnis ist erst der Anfang.

Hintergrundinformationen

Neben Paul Mollière vom MPIA trugen die folgenden Wissenschaftler zu den Ergebnissen des Papers bei: Yapeng Zhang, Ignas A. G. Snellen, Alexander J. Bohn, Matthew A. Kenworthy, Frans Snik (alle Leiden Observatory), Christian Ginski (Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Universität Amsterdam), H. Jens Hoeijmakers (Observatoire de Genève und Lund Observatory ), Eric E. Mamajek (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology und University of Rochester), Tiffany Meshkat (IPAC, California Institute of Technology), Maddalena Reggiani (KU Leuven)

MN

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