Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) entdeckten Forscher der National Aeronautics and Space Administration (NASA) einen beispiellosen „seltsamen Planeten“ – PSR J2322-2650b. Es umkreist nicht nur einen Pulsar, sondern hat auch eine Atmosphäre aus nahezu „reinem Kohlenstoff“ und eine Materialstruktur, die im Inneren möglicherweise zu Diamanten kristallisiert. Er wird als „ein völlig unerwarteter Planetentyp“ beschrieben.
Das James Webb Telescope ist derzeit das leistungsstärkste Infrarot-Weltraumteleskop der Welt. Es wurde gemeinsam von der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation und der Canadian Space Agency entwickelt. Es untersucht hauptsächlich kühlere Planeten, diffuse Staubgebiete und extrem entfernte Galaxien durch Beobachtung des Infrarotbandes. Mit gewöhnlichen optischen Teleskopen sind diese Ziele oft nur schwer direkt zu erkennen. Bei dieser Beobachtung hat das Webb-Teleskop einen Exoplaneten namens PSR J2322-2650b erfasst, der ungefähr die gleiche Masse wie Jupiter hat, aber einen Pulsar umkreist, was in bekannten Planetensystemen äußerst selten vorkommt.
Der sogenannte Pulsar ist eine Art schnell rotierender Neutronenstern. Es ist der dichte Kern, der nach der Supernova-Explosion eines massereichen Sterns übrig bleibt. Es kann massemäßig größer als die Sonne sein, aber nur die Größe einer Stadt. Pulsare senden Strahlen elektromagnetischer Strahlung entlang der Richtung ihrer Magnetpole aus. Während sie rotieren, fegen diese Strahlenbündel wie ein Leuchtturm über den Himmel und zeigen so bei Beobachtungen periodische Pulssignale. Derzeit wurden nur eine Handvoll der astronomischen Gemeinschaft bekannte Planeten entdeckt, die Pulsare umkreisen, und PSR J2322-2650b unterscheidet sich in Zusammensetzung und Struktur völlig von ähnlichen Zielen, die zuvor aufgezeichnet wurden.
Beobachtungsergebnisse zeigen, dass die Atmosphäre des Planeten hauptsächlich aus Helium und Kohlenstoff besteht und nicht aus Wasser, Methan und anderen Molekülen, die bei den meisten Exoplaneten üblich sind. Das wissenschaftliche Forschungsteam entdeckte in seinem atmosphärischen Spektrum molekularen Kohlenstoff, insbesondere C₂ und C₃. Diese Art von Molekülen, die aus direkt verbundenen Kohlenstoffatomen bestehen, kommt in der Atmosphäre von Planeten äußerst selten vor, da sich Kohlenstoff normalerweise bevorzugt mit Sauerstoff oder Wasserstoff verbindet und Verbindungen wie Kohlendioxid oder Methan bildet. Forscher wiesen darauf hin, dass das atmosphärische Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis des Planeten 100 übersteigt und das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis sogar über 10.000 liegt und damit weit über den meisten bekannten Exoplaneten liegt, was bedeutet, dass seine Atmosphäre fast als „sehr kohlenstoffreiche Umgebung“ angesehen werden kann.
Peter Gao, ein Wissenschaftler am Carnegie Earth and Planetary Laboratory, der an der Studie beteiligt war, sagte, als das Team die Daten zum ersten Mal sah, „konnten sie ihren Augen kaum trauen“ und beklagten, dass „das überhaupt nicht die Art von Planetenatmosphäre ist, die wir erwartet hatten.“ Michael Zhang von der University of Chicago wies darauf hin, dass der Pulsar, den der Planet umkreist, an sich schon etwas ganz Besonderes sei – „nahe an der Masse der Sonne, aber nur so groß wie eine Stadt“ und dass die Art der Atmosphäre von PSR J2322-2650b „eine neue Kategorie ist, die noch nie zuvor gesehen wurde“.
Unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen nimmt der Planet ein noch bizarres Aussehen an. Untersuchungen zeigen, dass zwischen Tag und Nacht ein großer Temperaturunterschied besteht: Die Temperatur auf der Nachtseite beträgt etwa 1.200 Grad Fahrenheit (etwa 650 Grad Celsius) und die Temperatur auf der Tagseite beträgt bis zu etwa 3.700 Grad Fahrenheit (etwa 2.000 Grad Celsius). In einer solchen Umgebung schweben rußartige Kohlenstoffstaubwolken in der Atmosphäre. Forscher spekulieren, dass sich diese Kohlenstoffstaubwolken unter dem enormen Druck im Inneren des Planeten allmählich in Kristallstrukturen wie Diamanten verwandeln könnten und der Kristallisationsprozess von Kohlenstoff tief im Planeten stattfinden könnte.
Roger Romani von der Stanford University erklärte, dass beim Abkühlen des Begleitsterns das Kohlenstoff-Sauerstoff-Gemisch in seinem Inneren zu kristallisieren beginnt und reine Kohlenstoffkristalle in die oberen Schichten „schweben“ und sich mit Helium vermischen, das die Quelle der in Beobachtungen beobachteten atmosphärischen Merkmale ist. Er wies auch darauf hin, dass es immer noch ein großes Rätsel sei, zu erklären, warum Sauerstoff und Stickstoff von diesem Prozess ausgeschlossen seien. „Es muss einen Schlüsselmechanismus geben, um sie ‚zu blockieren‘. Das ist ein Problem, das noch nicht gelöst wurde.“
Aus Sicht des Gleisbaus trägt dieses System auch das Prädikat „extrem“. PSR J2322-2650b ist nur etwa 1 Million Meilen von seinem Pulsar entfernt. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und der Sonne beträgt etwa 100 Millionen Meilen, also das Hundertfache dieser Entfernung. In einer so engen Umlaufbahn benötigt der Planet für eine Umdrehung (sein Jahr) nur etwa 7,8 Stunden, was weitaus kürzer ist als ein Erdenjahr.
Starke gravitative Gezeiteneffekte führen dazu, dass der Planet eher in eine zitronenähnliche Form als in eine annähernde Kugelform „gezogen“ wird. Die Schwerkraft ist die Grundkraft, die bewirkt, dass Objekte mit Masse sich gegenseitig anziehen. Wenn sich ein dichter Himmelskörper sehr nahe an seinem Begleitstern befindet und große Massenunterschiede aufweist, erzeugt die Gezeitenkraft einen erheblichen Spannungsunterschied im Inneren des Begleitsterns, was zu einer allgemeinen Verformung führt. Dieses Phänomen ist besonders deutlich im PSR J2322-2650b.
Das wissenschaftliche Forschungsteam geht davon aus, dass dieses System in irgendeiner Weise mit dem sogenannten „Schwarzen Witwen“-System in der Astronomie zusammenhängt. „Black Widow“-Systeme bestehen normalerweise aus einem Pulsar und einem nahen Begleitstern. Der Pulsar „kannibalisiert“ kontinuierlich das Material des Begleitsterns durch intensive Strahlung und einen hochenergetischen Teilchenfluss, und schließlich bleibt möglicherweise nur noch ein äußerst dichter Restkern übrig. Allerdings hat PSR J2322-2650b in dieser Entdeckung eine Masse von weniger als 13 Jupitermassen, sodass er offiziell als Exoplanet und nicht als „Begleiter“ im Sinne eines Sterntrümmers klassifiziert wird.
Auch hinsichtlich seines Entstehungsmechanismus ist es schwierig, bestehende theoretische Modelle auf diesen Planeten anzuwenden. Zhang wies darauf hin, dass dieser Himmelskörper nach der derzeit beobachteten Zusammensetzung offensichtlich nicht durch die allmähliche Ansammlung von Gas und Staub um einen jungen Stern in der protoplanetaren Scheibe wie ein „gewöhnlicher Planet“ entsteht, da seine atmosphärische chemische Zusammensetzung völlig anders ist als die gewöhnlicher Planeten. Gleichzeitig gibt es Probleme, ihn als den Kernrest eines Sterns zu behandeln, der im „Black Widow“-System entblößt wurde, da die bestehenden kernphysikalischen Prozesse die Bildung von nahezu „reinen Kohlenstoff“-Objekten nicht unterstützen, was bedeutet, dass unser Verständnis seines Ursprungs noch sehr vorläufig ist.
Möglich wurde diese Entdeckung durch die scharfe Sicht des Webb-Teleskops im Infrarotbereich. Infrarotlicht kann Staubwolken im Universum durchdringen und Astronomen dabei helfen, kühlere und dunklere Ziele zu beobachten. Der Pulsar selbst sendet hauptsächlich Gammastrahlen und hochenergetische Teilchen aus. Diese Strahlungen liegen außerhalb von Webbs Arbeitsband und beeinträchtigen daher nicht die infrarotspektroskopischen Messungen der Planetenatmosphären.
Durch die Analyse des spektralen Fingerabdrucks eines Planeten bei verschiedenen Wellenlängen können Wissenschaftler ableiten, welche Atome und Moleküle in seiner Atmosphäre vorhanden sind, und wichtige Parameter wie Temperatur, chemische Zusammensetzung und Druckstruktur weiter abschätzen. Maya Beleznay von der Stanford University wies darauf hin, dass Forscher in diesem System „nur das Spektrum des vom Pulsar beleuchteten Planeten und fast nie den Pulsar selbst direkt sehen können“. Dies bietet seltene Bedingungen für den Erhalt sauberer und klarer Spektralsignale, was diesem System einzigartige Vorteile in der Exoplanetenforschung verschafft.
Die Gesamtzahl der bestätigten Exoplaneten beträgt etwa 6.000. Unter dieser großen Probe ist PSR J2322-2650b das einzige Ziel, das eine so eigenartige Kombination zwischen den Orbitaleigenschaften eines „heißen Jupiters“ und den Eigenschaften eines „Pulsarbegleiters“ bildet. Seine ungewöhnlich kohlenstoffreiche Atmosphäre, die extreme chemische Zusammensetzung, die durch die Schwerkraft gestreckte zitronenförmige Form und die ungewöhnlich kompakte dynamische Struktur bilden zusammen ein beispielloses Planetenbeispiel, das neue Fragen darüber aufwirft, wie Planeten in extremen kosmischen Umgebungen entstehen, sich entwickeln und sogar überleben. Es eröffnet auch neue Beobachtungsrichtungen für die zukünftige Planetenforschung und Hochenergie-Astrophysik-Forschung.