Erster Riesenplanet um Weißen Zwerg gefunden

„Es war eine dieser zufälligen Entdeckungen“, sagt der Forscher Boris Gänsicke von der University of Warwick in Großbritannien, der die Studie leitete, die heute in Nature veröffentlicht wurde. Die Forschungsgruppe hatte etwa 7000 Weiße Zwerge inspiziert, die im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey beobachtet wurden. Sie fanden heraus, dass einer davon einzigartig ist.

Durch die Analyse der geringen Schwankungen des Sternlichts fanden sie Spuren von chemischen Elementen in Mengen, die Wissenschaftler noch nie zuvor bei einem Weißen Zwerg beobachtet hatten. „Wir wussten, dass in diesem System etwas Außergewöhnliches vor sich gehen musste, und spekulierten, dass es sich um eine Art planetarischen Überrest handeln könnte.“

Um eine bessere Vorstellung von den Eigenschaften dieses ungewöhnlichen Sterns mit dem Namen WDJ0914+1914 zu bekommen, analysierte das Team ihn mit dem X-Shooter-Instrument des Very Large Telescope der ESO in der chilenischen Atacama-Wüste. Diese Folgebeobachtungen bestätigten die Anwesenheit von Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel nahe des Weißen Zwerges. Bei der Analyse der Details in den Spektren entdeckte die Wissenschaftler, dass sich diese Elemente in einer Scheibe aus Gas befinden, die auf den Weißen Zwerg einfällt und nicht vom Stern selbst kommt.

„Es dauerte einige Wochen, bis wir herausfanden, dass der einzige Weg, eine solche Scheibe zu erzeugen, das Verdampfen eines riesigen Planeten ist“, sagte Matthias Schreiber von der Universität Valparaiso in Chile, der die vergangene und zukünftige Entwicklung dieses Systems berechnete. Sowohl er als auch Gänsicke kommen aus Deutschland und haben dort promoviert.

Die nachgewiesenen Mengen an Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel ähneln denen in den tiefen atmosphärischen Schichten von eisigen, riesigen Planeten wie Neptun und Uranus. Befände sich die Bahn eines solchen Planeten in der Nähe eines heißen Weißen Zwerges, würde die extreme ultraviolette Strahlung des Sterns seine äußeren Schichten abstreifen.

Ein Teil dieses abgetragenen Gases würde sich zu einer Scheibe verwirbeln, die ihrerseits auf den Weißen Zwerg fällt. Das ist es, was Wissenschaftler um WDJ0914+1914 herum sehen: der erste verdampfende Planet, der einen Weißen Zwerg umkreist.

Durch die Kombination von Beobachtungsdaten mit theoretischen Modellen konnte die Gruppe von Astronomen aus Großbritannien, Chile und Deutschland ein klareres Bild von diesem einzigartigen System zeichnen. Der Weiße Zwerg ist klein und mit 28 000 Grad Celsius (fünfmal so hoch wie die Temperatur der Sonne) extrem heiß. Im Gegensatz dazu ist der Planet eisig und groß – mindestens doppelt so groß wie der Stern. Da er den heißen Weißen Zwerg aus nächster Nähe umkreist und ihn in nur 10 Tagen umrundet, blasen die hochenergetischen Photonen des Sterns allmählich die Atmosphäre des Planeten davon. Der größte Teil des Gases entweicht, aber ein Teil wird in eine Scheibe gezogen, die mit einer Rate von 3000 Tonnen pro Sekunde in den Stern strömt. Es ist diese Scheibe, die den sonst verborgenen neptunähnlichen Planeten sichtbar macht.

„Das ist das erste Mal, dass wir die Mengen an Gasen wie Sauerstoff und Schwefel in der Scheibe messen können, was Hinweise auf die Zusammensetzung von Exoplaneten-Atmosphären gibt“, sagt Odette Toloza von der Universität Warwick, die ein Modell für die Gasscheibe um den Weißen Zwerg herum entwickelte.

„Die Entdeckung eröffnet auch ein neues Fenster zum endgültigen Schicksal der Planetensysteme“, ergänzt Gänsicke.

Sterne wie unsere Sonne verbrennen den größten Teil ihres Lebens lang Wasserstoff in ihren Kernen. Sobald ihnen dieser Treibstoff ausgeht, blähen sie sich zu Roten Riesen auf, werden hundertmal größer und verschlingen nahegelegene Planeten. Im Falle des Sonnensystems gehören dazu Merkur, Venus und sogar die Erde, die alle von der Rote-Riesen-Sonne in etwa 5 Milliarden Jahren verschlungen werden. Schließlich verlieren sonnenähnliche Sterne ihre äußeren Schichten und hinterlassen nur noch einen ausgebrannten Kern, einen Weißen Zwerg. Solche stellaren Überreste können noch Planeten beherbergen, und man vermutet, dass viele dieser Sternensysteme in unserer Galaxie existieren. Bislang hatten Wissenschaftler jedoch noch nie Beweise für einen überlebenden Riesenplaneten um einen Weißen Zwerg gefunden. Der Nachweis eines Exoplaneten im Orbit um WDJ0914+1914, der sich etwa 1500 Lichtjahre entfernt im Sternbild Krebs befindet, könnte der erste von vielen solcher Sterne sein.

Nach Angaben der Forscher umkreist der Exoplanet, der nun mit Hilfe des X-Shooters der ESO gefunden wurde, den Weißen Zwerg in einer Entfernung von nur 10 Millionen Kilometern oder dem 15-fachen Sonnenradius. Der Planet hätte sich daher inmitten des Roten Riesen befinden müssen. Die ungewöhnliche Position des Planeten legt nahe, dass sich der Planet irgendwann, nachdem der Wirtsstern zu einem Weißen Zwerg geworden ist, näher an ihn herangearbeitet hat. Die Astronomen sind der Ansicht, dass diese neue Umlaufbahn das Ergebnis von gravitativen Wechselwirkungen mit anderen Planeten im System sein könnte, was bedeutet, dass mehr als ein Planet den gewaltsamen Übergang seines Wirtssterns überlebt haben könnte.

„Bis vor kurzem dachten nur sehr wenige Astronomen über das Schicksal von Planeten nach, die sterbende Sterne umkreisen. Diese Entdeckung eines Planeten, der sich um einen ausgebrannten Sternenkern dreht, zeigt eindrucksvoll, dass das Universum unseren Geist immer wieder herausfordert, über unsere etablierten Ideen hinauszugehen“, schließt Gänsicke.

Weitere Informationen

Diese Forschung wurde in einem Artikel vorgestellt, der in der Zeitschrift Nature erscheint.

Das Team besteht aus Boris Gänsicke (Department of Physics & Centre for Exoplanets and Habitability, University of Warwick, Großbritannien), Matthias Schreiber (Institute of Physics and Astronomy, Millennium Nucleus for Planet Formation, Valparaiso University, Chile), Odette Toloza (Department of Physics, University of Warwick, Großbritannien), Nicola Gentile Fusillo (Department of Physics, University of Warwick, Großbritannien), Detlev Koester (Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Universität Kiel, Deutschland) und Christopher Manser (Department of Physics, University of Warwick, Großbritannien).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

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„Accretion of a giant planet onto a white dwarf“: Boris T. Gänsicke, Matthias R. Schreiber, Odette Toloza, Nicola P. Gentile Fusillo, Detlev Koester und Christopher J. Manser
Nature, Dezember 2019
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1919/eso1919a.pdf
https://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1789-8

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