Vierter „Zuckerwatte“-Planet überrascht Astronomen

Planetares Mysterium: Das Rätsel um die leichten „Zuckerwatte“-Planeten um den sonnenähnlichen Stern Kepler-51 vertieft sich. Denn Astronomen haben noch einen vierten, ebenfalls verblüffend „fluffigen“ Exoplaneten um diesen Stern entdeckt. Wie eine solche Ansammlung dieser kleinkernigen, gasreichen Planeten um einen Stern zustande kommt, ist mit gängigen Modellen schwer erklärbar, wie die Forschenden im „Astronomical Journal“ berichten.

Der junge, sonnenähnliche Stern Kepler-51 liegt rund 2.600 Lichtjahre von uns entfernt und ist für seine drei sehr ungewöhnlichen Planeten bekannt: „Diese drei Planeten um Kepler-51 sind ungefähr so groß wie der Saturn, aber nur wenige Erdmassen schwer“, erklärt Co-Erstautorin Jessica Libby-Roberts von der Pennsylvania State University. Die Dichte dieser Exoplaneten muss demnach extrem gering sein – ähnlich der von Zuckerwatte. Sie gehören damit zu nur einer Handvoll von bisher bekannten Exoplaneten mit dieser Eigenheit.

Viel zu leicht und gasreich für ihre Größe

Doch wie solche „Zuckerwatte“-Planeten aufgebaut und entstanden sind, ist schwer erklärbar. „Wir vermuten, dass sie winzige Kerne und enorme Gashüllen aus Wasserstoff und Helium besitzen“, sagt Libby-Roberts. „Aber warum ihre Atmosphäre dann nicht längst von der intensiven Strahlung ihres jungen Sterns weggeweht wurde, ist noch ein Rätsel.“ Denn wegen ihres kleinen Kerns und geringen Masse dürften diese Exoplaneten eigentlich nicht genug Schwerkraft haben, um die ausgedehnte Gashülle festzuhalten.

Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, haben die Astronomen nun Kepler-51 und seine drei Zuckerwatte-Planeten erstmals mit dem James-Webb-Teleskop genauer ins Visier genommen. Doch als sie das Weltraumteleskop kurz vor dem erwarteten Transit auf den Stern richteten, zeigte sich Überraschendes: Die Abschattung durch das Vorüberziehen der Planeten begann viel zu früh. Statt den Beginn des Transits zu verfolgen, konnte das Team nur noch das Ende davon sehen.

Überraschender „Frühstart“ des Transits

Ganze zwei Stunden zu früh zog der Exoplanet Kepler-51d vor seinem Stern vorbei. „Glücklicherweise hatten wir schon einige Stunden früher unsere Beobachtungen begonnen, weil wir zunächst das normale, unverschattete Sternenlicht als Referenz aufzeichnen wollten“, erklärt Libby-Roberts. Nur dadurch hatte das Team diese Abschattung dokumentiert. Das Problem doch: Während die Transitprognosen durchaus um wenige Minuten daneben liegen können, ist eine Abweichung um zwei Stunden nicht durch gängige Unsicherheitsfaktoren erklärbar.

Aber was steckt dahinter? „Das frühe Auftauchen von Kepler-51d hat uns wirklich verblüfft“, berichtet Co-Erstautor Kento Masuda von der Universität Osaka. „Egal, wie wir unsere Drei-Planeten-Modelle drehten und wendeten – keine Variante konnte eine so große Diskrepanz zu den erwarteten Transitzeiten erklären.“ Gleichzeitig bestätigten ergänzende Beobachtungsdaten des Hubble-Weltraumteleskops und mehrerer erdbasierter Teleskope, dass der Transit tatsächlich so viel zu früh stattfindet– ein Beobachtungsfehler war demnach nicht schuld.

Es gibt einen vierten Planeten!

Erst als die Astronomen ihr Modell um einen vierten, zusätzlichen Exoplaneten um Kepler-51 ergänzten, konnte sie den rätselhaften „Frühstart“ des Planetentransits nachvollziehen. „Erst der vierte Planet erklärte die Abweichungen“, sagt Masuda. Dieser vierte Planet um Kepler-51 umkreist den Stern offenbar weiter außen und auf einer stärker geneigten Bahn. Dadurch zieht er von uns aus gesehen nicht direkt vor seinem Stern vorbei, beeinflusst aber die Bewegung der anderen Planeten durch seinen Schwerkrafteinfluss.

„Wir haben festgestellt, dass sich das Signal am besten erklären lässt, wenn dieser vierte Planet, Kepler-51e, eine ähnlich geringe Masse hat wie die anderen drei Planeten in diesem System“, berichtet Masuda. Kepler-51e umkreist seinen Stern wahrscheinlich auf einer relativ weiten, kreisförmigen Bahn mit einer Umlaufzeit von 264 Tagen, wie die Astronomen mithilfe ihres Modells ermittelten. „Eine andere Möglichkeit wäre ein schwererer Planet auf einer weiteren Bahn, aber das halten wir für weniger wahrscheinlich“, so Masuda.

Herausforderung für gängige Modelle

Die Entdeckung des vierten „Zuckerwatte“-Planeten um Kepler-51e vertieft das Rätsel um diese planetaren Leichtgewichte. Denn die Präsenz von Kepler-51e korrigiert zwar die bisherigen Masseschätzungen leicht nach oben. Dennoch bleiben diese Exoplaneten nach wie vor zu leicht für gängige Modelle der Planetenbildung. „Solche aufgeplusterten Planeten sind ziemlich selten und meist gibt es nur einen von ihnen in einem Planetensystem“, erklärt Libby-Roberts.

„Schon drei solcher Zuckerwatte-Planeten um einen Stern zu erklären, war eine echte Herausforderung. Aber jetzt müssen wir noch einen vierten Planeten erklären“, so die Astronomin weiter. Das Team hofft, durch die Beobachtung weiterer Transits bei Kepler-51 noch mehr über die vier ungewöhnlichen Exoplaneten zu erfahren. Sie schließen zudem nicht aus, dass es jenseits des Orbits vonKepler-51e sogar noch weitere Exoplaneten in diesem System geben könnte.

„Kepler-51e hat einen Orbit, der nur wenig weiter ist als der der Venus und liegt damit gerade innerhalb der habitablen Zone seines Sterns“, sagt Libby-Roberts. „Es könnte daher noch einiges jenseits dieses Sternenabstands geben, wenn wir genauer nachschauen.“ Die Astronomen werten zurzeit auch noch die hochaufgelösten Spektren des James-Webb-Teleskops für den Planeten Kepler-51d aus. Die Analysergebnisse könnten mehr über die Atmosphäre dieser Zuckerwatte-Planeten verraten. (The Astronomical Journal, 2024; doi: 10.3847/1538-3881/ad83d3)

Quelle: The Astronomical Journal, Pennsylvania State University