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Ein mysteriöser Planet von der Größe des Jupiters ist aufgeblasen wie ein Marshmallow – Astronomen glauben endlich, den Grund zu kennen

Diese künstlerische Illustration zeigt, wie der Exoplanet WASP 107b nach den neuen Daten des James-Webb-Teleskop aussehen könnte.  - Copyright: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Diese künstlerische Illustration zeigt, wie der Exoplanet WASP 107b nach den neuen Daten des James-Webb-Teleskop aussehen könnte. - Copyright: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

In unserer kosmischen Nachbarschaft, etwa 210 Lichtjahre entfernt, befindet sich ein Planet jenseits unseres Sonnensystems, der sich jahrelang einer wissenschaftlichen Erklärung entzog. Sein Name ist WASP 107b. Jetzt glauben zwei verschiedene Astronomenteams, dass sie die Lösung gefunden haben. Doch das hat eine Reihe neuer Fragen aufgeworfen, die weitere Forschung erfordern.

WASP 107b: Der Exoplanet, der nicht existieren sollte

WASP 107b ist fast so groß wie Jupiter, hat aber nur 12 Prozent von dessen Masse.  - Copyright: ESA/Hubble, NASA, and M. Kornmesser
WASP 107b ist fast so groß wie Jupiter, hat aber nur 12 Prozent von dessen Masse. - Copyright: ESA/Hubble, NASA, and M. Kornmesser

Astronomen entdeckten diesen ungewöhnlichen Exoplaneten erstmals im Jahr 2017. Ihre ersten Beobachtungen deuteten darauf hin, dass WASP 107b etwa so groß wie der Jupiter ist, aber zehnmal weniger Masse hat. Das brachte ihm den Spitznamen "Super-Puff" ein, wie ein aufgeblasener Marshmallow oder flauschige Zuckerwatte.

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Jahrelang rätselten Experten, wie ein solcher Planet einen so großen Durchmesser haben und gleichzeitig eine so geringe Masse aufweisen konnte. Nach den wissenschaftlichen Modellen sollte der Exoplanet gar nicht existieren: "Die Menschen begannen, sich zu verbiegen, um herauszufinden, wie ein solcher Planet entstehen kann", sagte David Sing, Professor an der Johns Hopkins University, zu Business Insider.

Normalerweise wachsen Planeten genau wie Menschen in die Breite. Je mehr Materie sie verbrauchen, desto größer – und massiver – werden sie. Wenn dieser Exoplanet also so groß war, wie die Astronomen beobachtet haben, dann hätte er nicht so wenig Masse haben dürfen.

Gasriesen entstehen, wenn sich Gaswolken um einen dichten, felsigen Kern sammeln. - Copyright: NASA's Goddard Space Flight Center, ESO/L. Calçada
Gasriesen entstehen, wenn sich Gaswolken um einen dichten, felsigen Kern sammeln. - Copyright: NASA's Goddard Space Flight Center, ESO/L. Calçada

"WASP 107b ist ein Ausreißer unter den Ausreißern", sagt Luis Welbanks, ein Nasa-Postdoktorand an der Arizona State University. Dank des James-Webb-Weltraumteleskops glauben nun zwei verschiedene Forschungsteams – eines unter der Leitung von Sing und ein anderes unter der Leitung von Welbanks –, den Fall endlich gelöst zu haben. Mehr noch, beide Teams kamen zu bemerkenswert ähnlichen Schlussfolgerungen, die die Ergebnisse des jeweils anderen Teams untermauern.

Beide Teams gehen davon aus, dass die Antwort auf dieses Rätsel im Kern von WASP 107b verborgen ist. Es stellte sich heraus, dass das Zentrum dieses Exoplaneten viel heißer und massereicher ist, als die Astronomen bisher angenommen haben. Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, mussten die beiden Teams jedoch einige ernsthafte Nachforschungen im Weltraum anstellen.

Wissenschaftliche Modelle stimmten nicht mit den Beobachtungen überein

Die Hubble-Bilder von WASP 107b konnten das Rätsel seiner großen Größe und geringen Dichte nicht lösen. - Copyright: Venom82
Die Hubble-Bilder von WASP 107b konnten das Rätsel seiner großen Größe und geringen Dichte nicht lösen. - Copyright: Venom82

Der Grund, warum die Astronomen Jahre brauchten, um die mysteriösen Ursprünge von WASP 107b zu verstehen, liegt in einem Problem, mit dem viele Astronomen zu kämpfen haben: ein Mangel an Informationen aufgrund technologischer Grenzen. Dank erster Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop wussten die Astronomen bei seiner Entdeckung zwar einiges über WASP 107b, aber nicht genug, um die große Frage zu beantworten.

Daher griffen sie zunächst auf wissenschaftliche Modelle zurück, um die Lücken zu schließen. Eine große Lücke war der Kern des Exoplaneten. Wissenschaftliche Modelle legten nahe, dass der Kern relativ klein und kalt sein musste, so Sing. "Das war ein echtes Rätsel", sagte er. Denn: Gasriesen wie Jupiter und WASP 107b benötigen in der Regel massive Kerne, um all das Gas anzusammeln. Diese Kerne sind in der Regel auch heiß, da sich ein kalter Kern andernfalls auf natürliche Weise zusammenziehen und seine Größe verringern würde.

JWST ermöglichte es den Astronomen, einen weiteren Blick auf WASP 107b zu werfen und diesmal die Gase in seiner Atmosphäre zu messen. - Copyright: NASA
JWST ermöglichte es den Astronomen, einen weiteren Blick auf WASP 107b zu werfen und diesmal die Gase in seiner Atmosphäre zu messen. - Copyright: NASA

Wissenschaftlichen Modellen zufolge war der Kern von WASP 107b jedoch kleiner, als er sein sollte – er maß nicht mehr als 4,6 Erdmassen, so Sing. Die Astronomen sahen also eindeutig nicht das ganze Bild. Dann kam das James-Webb-Weltraumteleskop ins Spiel: das leistungsstärkste Teleskop, das je ins All geschossen wurde. Mit diesem Instrument entdeckten Sing und Welbanks, dass die bisherigen Annahmen über das Innere von WASP 107b völlig falsch waren.

Sondieren unter der Oberfläche

Als Sing und Welbanks Methan maßen, stellten sie fest, dass es weniger war, als sie erwartet hatten. - Copyright: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Science: D. Sing (JHU) and the NIRSpec GTO transiting exoplanet team
Als Sing und Welbanks Methan maßen, stellten sie fest, dass es weniger war, als sie erwartet hatten. - Copyright: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Science: D. Sing (JHU) and the NIRSpec GTO transiting exoplanet team

Um das Rätsel von WASP 107b zu lösen, analysierten die Teams von Welbanks und Sing die atmosphärische Zusammensetzung des Exoplaneten mit dem James-Webb-Teleskop. Jedes Team identifizierte einige der üblichen Verdächtigen wie Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Wasserdampf. Sie waren jedoch überrascht, dass sie eine ungewöhnlich geringe Menge Methan fanden.

Methan ist bei hohen Temperaturen instabil. Die Oberflächentemperatur von WASP 107b war jedoch kalt genug, um mehr Methan zu enthalten, als vom Teleskop beobachtet wurde. Die plausibelste Antwort auf dieses Methan-Rätsel war, dass sich heißes Gas aus dem Inneren des Exoplaneten mit dem kälteren Gas nahe der Oberfläche stark vermischt hatte, schlussfolgerten Welbanks und Sing.

"Mit diesen neuen Messungen sind wir in der Lage, Methan im Grunde als Thermometer für das Innere des Planeten zu verwenden, und wir stellen fest, dass es viel heißer ist als erwartet", so Sing. Die beiden Teams veröffentlichten ihre Studien in der Fachzeitschrift "Nature", die von Experten begutachtet wurde.

Das James-Webb-Teleskop ist zwar nicht in der Lage, direkt in das Innere eines Planeten zu blicken, aber es kann Informationen über seine Atmosphäre sammeln. - Copyright: NASA
Das James-Webb-Teleskop ist zwar nicht in der Lage, direkt in das Innere eines Planeten zu blicken, aber es kann Informationen über seine Atmosphäre sammeln. - Copyright: NASA

Die Tatsache, dass die James-Webb-Beobachtungen darauf hindeuten, dass der Kern heißer ist, bedeutet auch, dass er wahrscheinlich viel größer ist. Das würde den großen Durchmesser von WASP 107b erklären. In der Tat kamen Sing und Welbanks zu dem Schluss, dass der Kern viel massiver ist als ursprünglich angenommen.

Die Messungen von Welbanks und Sing zur Kernmasse weichen jedoch voneinander ab. Obwohl diese Diskrepanz eine weitere Untersuchung rechtfertigt, sagten beide Studien im Grunde dasselbe aus, so Scott Gaudi. Er ist Professor für Astronomie an der Ohio State University. "Die Tatsache, dass dieses Ding aufgebläht ist, ist größtenteils auf eine hohe Innentemperatur zurückzuführen", so Gaudi. Er war nicht an der Forschung beteiligt, aber ein ehemaliger Kollege und Mitautor von Welbanks' Arbeit.

Zusammenarbeit ist der Schlüssel

Die Ergebnisse der gemeinsamen Forschung von Sing und Welbanks könnten für künftige Studien anderer Superblasen von Nutzen sein. - Copyright: NASA, ESA, and L. Hustak and J. Olmsted (STScI)
Die Ergebnisse der gemeinsamen Forschung von Sing und Welbanks könnten für künftige Studien anderer Superblasen von Nutzen sein. - Copyright: NASA, ESA, and L. Hustak and J. Olmsted (STScI)

Diese Erklärung zum Inneren von WASP 107b bedeutet nicht, dass die Astronomen alle ihre Fragen zu diesem seltsamen Superblasen beantwortet haben. Eine verbleibende Frage ist, wie der Kern dieses Exoplaneten überhaupt so heiß werden konnte. "Es ist nicht klar, was genau die Ursache für diese hohe Innentemperatur ist", so Gaudi. Aber Welbanks und Sing haben eine Theorie – eine, von der Gaudi glaubt, dass sie richtig sein könnte.

Die Umlaufbahn von WASP 107b um seinen Wirtsstern ist "exzentrisch", das heißt, sie ist nicht vollkommen kreisförmig. Diese exzentrische Umlaufbahn drücke den Planeten zeitweise zusammen. "Wie wenn man mit Knete in den Händen spielt und sie herumbewegt, wird sie warm", erklärt Welbanks.

Dieses wärmeerzeugende Zusammendrücken wird als Gezeitenerwärmung bezeichnet. Gaudi glaubt, dass dies eine gute Erklärung dafür ist, warum der Kern von WASP 107b so viel heißer ist als erwartet. Aber Gaudi hat noch einige Fragen zu den Mechanismen hinter dieser Gezeitenheizung. Damit die exzentrische Umlaufbahn von WASP 107b den Kern so stark aufheizen kann, müsste der Kern die Gezeitenerwärmung sehr effizient ableiten, so Gaudi.

Eine NASA-Karte mit allen 4.003 bekannten Exoplaneten, die bis 2019 entdeckt wurden. - Copyright: YSTEM Sounds (M. Russo, A. Santaguida); Data: NASA Exoplanet Archive
Eine NASA-Karte mit allen 4.003 bekannten Exoplaneten, die bis 2019 entdeckt wurden. - Copyright: YSTEM Sounds (M. Russo, A. Santaguida); Data: NASA Exoplanet Archive

Das bedeutet, dass jedes Mal, wenn der Exoplanet beim Umkreisen seines Sterns "gequetscht" wird, eine Menge Energie in den Kern gelangt. Laut Gaudi bedeutet dies auch, dass die Umlaufbahn des Exoplaneten nicht sehr lange exzentrisch bleiben sollte – schließlich sollte sie vollkommen kreisförmig werden.

Warum also ist die Umlaufbahn von WASP 107b immer noch exzentrisch? Haben Sing und Welbanks ihn einfach nur zum richtigen Zeitpunkt erwischt, oder gibt es noch etwas anderes, das die schiefe Bahn des Exoplaneten aufrechterhält, etwa die Anziehungskraft eines benachbarten Planeten? Welbanks und Sing planen, die exzentrische Umlaufbahn von WASP 107b, die Gezeitenheizung und andere verbleibende Fragen in der Zukunft zu untersuchen.

Doch für Sing, Welbanks und Gaudi ist die wichtigste Lehre aus dieser Arbeit, dass Zusammenarbeit zum Erfolg führt. "In der Ära der Wissenschaft, in der viele Dinge nicht reproduzierbar sind, war es sehr beruhigend, dass zwei Teams auf Anhieb das Gleiche herausgefunden haben", so Sing. "Wissenschaft wird besser, wenn man zusammenarbeitet", so Welbanks.

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