Das Webb-Teleskop findet neue Beweise, die die Theorie der Planetenentstehung auf den Kopf stellen

Astronomen führten mit dem James Webb Space Telescope (JWST) eingehendere Beobachtungen von TOI-5205 b durch, einem riesigen Exoplaneten, der als „verbotener Planet“ bekannt ist, und stellten fest, dass der Gehalt an schweren Elementen in seiner Atmosphäre ungewöhnlich niedrig ist, sogar niedriger als der des Muttersterns, den er umkreist. Diese Entdeckung stellt die traditionelle Theorie der Planetenentstehung und -entwicklung direkt in Frage.

Relevante Forschungsergebnisse wurden im Astronomical Journal unter der Leitung von Caleb Cañas vom Goddard Space Flight Center der NASA veröffentlicht, an der Shubham Kanodia von der Carnegie Institution for Science und ein multinationales Forschungsteam teilnahmen.

TOI-5205 b hat eine ähnliche Größe wie Jupiter, aber sein Mutterstern ist ein viel kleinerer Roter Zwerg: Sein Sternradius ist etwa viermal so groß wie der von Jupiter und seine Masse beträgt etwa 40 % der Masse der Sonne. Wenn ein Planet aus der Sichtlinie der Erde vor einem Stern vorbeizieht, blockiert er etwa 6 % der Leuchtkraft des Sterns. Mit Spektrometern analysieren Wissenschaftler die Veränderungen des Lichts verschiedener Wellenlängen während des Transits und kehren so die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten um und leiten daraus Rückschlüsse auf seine Entstehungsgeschichte.

Der gängigen Theorie zufolge entstehen Planeten in rotierenden Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne, und Riesenplaneten entwickeln sich im Allgemeinen in Scheiben, die reich an Material sind. Allerdings gibt es in der Nähe eines kleineren und kühleren Sterns wie TOI-5205 einen riesigen Planeten in einer engen Umlaufbahn. Ein solches Planet-Stern-Verhältnis und eine solche Orbitalkonfiguration lassen sich mit bestehenden Modellen nur schwer vernünftig erklären, daher wird er als „verbotener Planet“ bezeichnet.

Um solche „anomalen“ Planeten systematisch zu untersuchen, leiten Kanodia, Cañas und Jessica Libby-Roberts von der University of Tampa die Umsetzung eines der größten Exoplaneten-Beobachtungsprojekte im zweiten Zyklus von JWST – dem „Red Dwarfs and the Seven Giants“-Projekt, das sich speziell auf diese Art von Riesenplaneten konzentriert, die Zwerge vom Typ M umkreisen, die zusammen als GEMS (Riesen-Exoplaneten- und M-Zwergsysteme) bekannt sind.

TOI-5205 b wurde ursprünglich vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA entdeckt und als Kandidat markiert. Kanodia bestätigte die Existenz des Planeten durch Folgebeobachtungen im Jahr 2023 und ist derzeit eines der Kernmitglieder des Teams, das JWST nutzte, um die erste detaillierte Charakterisierung seiner Atmosphäre zu erstellen.

Durch die Datenanalyse von drei Transitereignissen stellte das Team fest, dass die Häufigkeit schwerer Elemente im Verhältnis zu Wasserstoff in der Atmosphäre von TOI-5205 b nicht nur geringer ist als die von Jupiter, sondern sogar geringer als die seines Muttersterns. Dies steht im Gegensatz zu dem, was Menschen allgemein von Riesenplaneten erwarten – normalerweise werden Riesenplaneten während ihrer Entstehung mit schwereren Elementen angereichert, sodass ihre Gesamtmetallizität tendenziell höher ist als die ihrer Muttersterne. Beobachtungen ergaben auch das Vorhandensein von Methan (CH₄) und Schwefelwasserstoff (H₂S) in der Atmosphäre des Planeten, was weitere Hinweise auf seine chemische Struktur lieferte.

Um das beobachtete „metallarme“ Phänomen in der Atmosphäre zu verstehen, verwendeten Simon Muller und Ravit Helled von der Universität Zürich Modelle der inneren Struktur des Planeten, um die Gesamtzusammensetzung von TOI-5205 b abzuleiten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die gesamte „Metallizität“ des Planeten wahrscheinlich etwa 100-mal höher ist als die mit Transitmethoden gemessene Zusammensetzung der Atmosphäre. Kurz gesagt, das Innere des Planeten ist reich an schweren Elementen, aber diese schweren Elemente werden nicht effektiv in die Atmosphäre eingemischt.

Kanodia, Mitautorin des Artikels, erklärte, dass zwischen dem vom Modell erwarteten Gesamtmetallgehalt und dem beobachteten atmosphärischen Metallgehalt eine deutliche Lücke besteht, was darauf hindeutet, dass während des Entstehungsprozesses des Planeten schwere Elemente dazu neigen, nach innen zu wandern und im tiefen Inneren „eingesperrt“ zu werden, und dass die Effizienz der Materialmischung mit der äußeren Atmosphäre gering ist. Basierend auf verschiedenen Beweisen geht das Team davon aus, dass TOI-5205 b eine abnormale atmosphärische Umgebung aufweist, die „reich an Kohlenstoff und arm an Sauerstoff“ ist.

Bei der Datenverarbeitung berücksichtigten die Forscher gezielt auch den Einfluss der Sonnenflecken des Muttersterns. Die dunkleren Regionen auf der Oberfläche dieser Sterne werden die beobachteten spektralen Eigenschaften auf subtile Weise verändern: Sie verstärken die relative Intensität bestimmter Bänder und maskieren gleichzeitig potenzielle atmosphärische Signale. Ohne Korrektur kann es leicht zu einer Verzerrung der Bestimmung der atmosphärischen Zusammensetzung kommen. Wallack und Kanodia verifizieren diese Korrekturmethode derzeit in einer neuen JWST-Beobachtung weiter und hoffen, einen zuverlässigeren Beobachtungs- und Analyserahmen für zukünftige Studien der Atmosphären von Planeten um hochaktive Sterne bereitzustellen.

Diese Forschung ist Teil des GEMS-Umfrageprogramms. Ziel ist es, vorbeiziehende Riesenplaneten, die Zwergsterne vom Typ M umkreisen, systematisch zu beobachten und ihre Entstehungsprozesse, inneren Strukturen und atmosphärischen Eigenschaften aufzuklären. Zum teilnehmenden Team gehören auch die Astronomen Peter Gao, Johanna Teske und Nicole Wallack der Carnegie Institution for Science sowie Anjali Piette, jetzt Fakultätsmitglied und ehemalige Carnegie-Postdoktorandin.