Ein exzentrischer Exoplanet

Planetarer Exot: Astronomen haben einen in mehrerer Hinsicht exzentrischen Exoplaneten um einen nahen Roten Zwerg entdeckt. Der Sub-Neptun TOI-2257b hat eine ungewöhnlich weite Umlaufbahn, kreist aber in der habitablen Zone. Außerdem ist sein Orbit der exzentrischste, der je um einen Roten Zwerg beobachtet wurde. Die Forscher vermuten, dass ein noch unentdeckter Gasriese weiter außen den Exoplaneten aus der Kreisbahn gebracht hat.

Typischerweise umkreisen Planeten ihre Sterne auf einer kreisrunden oder allenfalls leicht elliptischen Umlaufbahn – auch im Sonnensystem ist dies der Fall. Dies liegt daran, dass Material und Orbit der Planeten auf die rotierende protoplanetaren Scheibe ihres Muttersterns zurückgehen. Unter anderem deshalb sind stark exzentrische und elliptische Bahnen bei Exoplaneten die große Ausnahme. Astronomen vermuten, dass solche Planeten nachträglich durch Störeinflüsse oder Kollisionen aus ihrem ursprünglichem Orbit ausgelenkt wurden.

Lückenhafte Abschattungen

Einen dieser exzentrischen Exoten haben nun Astronomen um Nicole Schanche von der Universität Bern entdeckt. Es handelt sich um einen Exoplaneten, der um den rund 188 Lichtjahre von uns entfernten Roten Zwerg TOI-2257 kreist. Schon das TESS-Weltraumteleskop hatte bei diesem Stern verdächtige Verdunklungen seines Licht beobachtet. Solche Abschattungen gelten als mögliches Indiz für einen Transit – das Vorüberwandern eines Planeten vor seinem Stern.

Weil zwischen den Beobachtungszeiten des TESS-Teleskops jedoch Lücken lagen, konnten Astronomen nicht genauer bestimmen, in welchem zeitlichen Abstand der Rote Zwerg verdunkelt wird. Daher blieb unklar, ob es sich wirklich um das Transitsignal eines Exoplaneten handelte. Schanche und ihr Team haben daher den Stern nun mit mehreren erdbasierten Teleskopen näher ins Visier genommen.

Ein Sub-Neptun auf weiter Bahn

Dank dieser Beobachtungen gelang es dem Team, den Abstand der Abschattungen auf 35 Tage einzugrenzen. Die Regelmäßigkeit dieser Ereignisse sprachen zudem dafür, dass es sich tatsächlich um die Transits eines Exoplaneten handeln musste. Dieser Planet, TOI-2257b getauft, umkreist den roten Zwerg demnach auf einer für solche Zwergsterne ungewöhnlich weiten Umlaufbahn. „Bisher sind erst zwei andere Exoplaneten um Rote Zwerge mit Transitperioden größer als TOI-2257b bekannt“, so die Astronomen.

Aus ihren Daten schließen die Forscher, dass der Planet rund 2,2 Erdradien groß ist und eine geschätzte Masse von 5,7 Erdmassen besitzt. Damit könnte es sich bei dem Planeten um einen Mini-Neptun handeln – einen kleinen Eis- oder Gasplaneten. Der Abstand zum Stern legt zudem nahe, dass sich der Exoplanet in der habitablen Zone bewegt. „Damit ist TOI-2257b einer von nur rund 20 bisher bekannten Sub-Neptunen, deren Gleichgewichtstemperatur in die Zone von potenziell flüssigem Wasser fällt“, erklären Schanche und ihr Team.

Hochdruck-Hülle und exzentrischer Orbit

Doch diese Lebensfreundlichkeit besteht nur theoretisch, denn Gasplaneten wie TOI-2257b haben einen so hohen Atmosphärendruck, dass Leben auf ihrer festen Oberfläche unmöglich ist. „Allerdings wäre Leben in den Wolken des Planeten durchaus eine Möglichkeit“, sagen die Forschenden. Auch ein Exomond dieses Planeten könnte habitabel ein. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Trabanten ist bei TOI-2257b allerdings eher gering, wie Berechnungen ergaben.

Hinzu kommt, dass der Mini-Neptun nicht dauerhaft in der habitablen Zone bleibt „Wir haben festgestellt, dass TOI-2257 b keine kreisförmige, konzentrische Umlaufbahn hat“, berichtet Schanche. Stattdessen ist der Orbit des Planeten stark exzentrisch. Während die Exzentrizität der Erdbahn bei nur 0,017 liegt, hat der Orbit des Sub-Neptuns eine Exzentrizität von knapp 0,5. Damit hat dieser Planet laut der Forscher die am stärksten exzentrische Umlaufbahn aller bekannten Exoplaneten um einen Roten Zwerg.

Schwanken zwischen den Extremen

„Im Hinblick auf eine mögliche Bewohnbarkeit ist dies leider eine schlechte Nachricht“, erklärt Schanche. „Während die durchschnittliche Temperatur des Planeten angenehm ist, schwankt sie zwischen minus 80 und etwa 100 Grad, je nachdem wo auf seiner Umlaufbahn der Planet sich befindet, ob fern oder nah vom Stern.“

Warum der Sub-Neptun einen so „verrückten“ Orbit besitzt, ist noch unklar. Die Astronomen vermuten aber, dass der Störeinfluss eines zweiten, noch weiter außen kreisenden Planeten um TOI-2257 die Ursache sein könnte. Ob es einen solchen Planeten gibt, könnten künftige Messungen der Radialgeschwindigkeit klären. Bei dieser verraten subtile Verschiebungen im Lichtspektrum des Sterns die Schwerkrafteinflüsse von umkreisenden Planeten.

Vielversprechendes Beobachtungsziel für das Webb-Teleskop

Der nahe Mini-Neptun TOI-2257b ist damit in mehrfacher Hinsicht ein Exot. Gerade dies jedoch macht ihn zu einem besonders spannenden Beobachtungsobjekt. Denn bisher kennen Astronomen nur wenige Exoplaneten mit dieser Kombination von weitem, exzentrischen Orbit und dicker Gashülle. Er bietet daher die Chance, mehr über die Merkmale und Entwicklung solcher planetaren Exoten zu verraten.

Seine Position und der relativ große Abstand zwischen Stern und Planet machen TOI-2257b zudem zu einem geeigneten Ziel für Beobachtungen mit dem neuen James-Webb-Weltraumteleskop. Dessen Infrarotoptiken und Spektroskope sind speziell darauf ausgelegt, neben fernen Sternen und Galaxien auch die Atmosphären von Exoplaneten zu analysieren. „Insbesondere könnte der Planet auf Anzeichen von Merkmalen wie Wasserdampf in der Atmosphäre untersucht werden“, sagt Schanche. (Astronomy & Astrophysics, 2022; doi: 10.1051/0004-6361/202142280)

Quelle: Universität Bern