Auch Planeten können einsam sein

von Dr. Hans Zekl

Unser Sonnensystem ist nicht das einzige in der Milchstraße. Das wurde schon lange vermutet, aber erst 1995 gelang Schweizer Astronomen der sichere Nachweis eines Planeten, der um eine fremde Sonne kreist. Inzwischen wurden mehr als 100 dieser extrasolaren Planeten - Planeten außerhalb unseres Sonnensystems - nachgewiesen. Alle diese Planeten kreisen um ferne Sonnen, sind also Mitglieder anderer Sonnensysteme.

Bislang können wir sie nicht direkt beobachten. Dazu sind sie nicht hell genug und werden von ihren Zentralsternen überstrahlt. Um sie trotzdem zu finden, beobachtet man deshalb den Stern, um den sie kreisen, sehr genau. Wie bei jedem anderen Himmelskörper zieht auch ein Planet mit seiner Schwerkraft andere Objekte an, auch den Zentralstern eines Sonnensystems. Nur ist sein Einfluss wesentlich schwächer. Stern und Planet drehen sich somit um ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Von der Erde aus gesehen, führt dabei ein Stern im Rhythmus der Umlaufzeit eines Planeten eine winzige Wackelbewegung aus. Seit einigen Jahren können diese Bewegungen genau genug gemessen werden, um die Existenz eines Planeten zu erkennen und seine Masse zu bestimmen.

Nach dem allgemeinen Modell der Sternentstehung bilden sich Sterne und Planeten gleichzeitig. Irgendwann beginnt eine interstellare Wolke aus Gas und Staub in sich zusammen zu fallen. Anfangs verläuft der Kollaps sehr langsam. Aber je mehr die Wolke schrumpft und sich dabei verdichtet, umso stärker wird die Schwerkraft; der Vorgang beschleunigt sich immer mehr. Durch Dichteschwankungen schnüren sich innerhalb der schrumpfenden Wolke immer kleinere Bereiche ab, die für sich alleine weiter kollabieren, bis sich in ihren Zentren ein neuer Stern bildet. Um diese junge Sonne rotiert eine flache Gas- und Staubscheibe, eine Akkretionsscheibe. In ihr ballt sich der Staub anfangs zu kleinen Klumpen zusammen, die dann durch Zusammenstöße zu immer größeren Brocken anwachsen, bis sie schließlich die Größe von Planeten erreichen.

Trotz einer ganzen Reihe Problem in den Details, waren sich die Astronomen darüber einig, dass die Theorie im Großen und Ganzen richtig ist. Offensichtlich sind Planetensysteme im All ziemlich häufig. Möglicherweise besitzen die meisten Einzelsterne einen oder mehrere Planeten, die um sie wandern. Aber, im Jahr 2000 bekam dieses Bild Risse, als ein internationales Team spanischer, deutscher und amerikanischer Astronomen eine unerwartete Entdeckung machte.

In einer Entfernung von 1150 Lichtjahren, in der Nähe des Pferdekopfnebels im Sternbild Orion, untersuchten sie ein Sternentstehungsgebiet. Zu ihrer Überraschung fanden sie darin 18 Himmelskörper, deren Eigenschaften vermuten ließen, dass es sich bei der Mehrzahl um Planeten handelt, die nicht um eine Sonne kreisen!Aber wie kann man das beweisen? Da die Objekte nicht Mitglieder irgendeines Sonnensystems sind, funktioniert die Methode zum Auffinden der extrasolaren Planeten hier nicht. Schon zwei Jahre zuvor waren Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg in diesem Gebiet um den Stern Sigma Orionis Objekte mit ungewöhnlich roter Farbe aufgefallen. Ihre Färbung weist darauf hin, dass es sich um kühle Objekte handeln muss. (Foto: ROE - Royal Observatory Edinburgh Anglo Australian Observatory)

Ähnlich wie bei einem glühenden Stück Eisen stehen nämlich Temperatur und Farbe eines Sterns in einem Zusammenhang. Sehr kühle Sterne leuchten tiefrot, aber je heißer sie sind, desto heller sind ihre Farben. Extrem heiße Sterne leuchten bläulich. Weil alle Objekte in einem Sternentstehungsgebiet etwa gleich alt sind, müssen sie umso kühler sein, je kleiner sie sind, da in ihnen weniger Energie erzeugt werden kann. Gerade dieser Zusammenhang ermöglichte es den Astronomen, die Masse der mysteriösen Objekte beim Pferdekopfnebel zu bestimmen.

Mit theoretischen Berechnungen über den genauen Zusammenhang zwischen der Farbe eines Objekts, seiner Temperatur und seiner Masse konnten die entdeckten18 frei fliegende Objekte tatsächlich als junge Planeten identifiziert werden, deren Massen fünf bis zehn mal größer als die des Planeten Jupiter sind.

Foto: AIC

Ein Team um die britische Astronomin Jane Greaves vom Royal Observatory in Edinburgh legte nun in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Band 346, Seiten 441 - 446, ähnliche Beobachtungen vor. Sie und ihre Kollegen Wayne S. Holland und Marc W. Pound untersuchten eine wesentlich näher liegende Sternenkinderstube um den Stern Rho Ophiuchi B im Sternbild Schlangenträger. Dieses Gebiet ist nur 500 Lichtjahre entfernt. Auch sie fanden ein Dutzend planetarischer Objekte ohne Zentralstern. Für eines mit der Bezeichnung Rho Ophiuchus B-11 bestimmten sie die neunfache Masse des Jupiters. Aber besonders bedeutsam sind die entdeckten Anzeichen eines Gasjets, der von den polaren Regionen dieses jungen Planeten ausgeht. Eigentlich ist ein solcher Jet ein typisches Merkmal sehr junger Sterne in den letzten Phasen ihrer Entstehung. Aber bei Rho Ophiuchus B-11 handelt es sich dennoch um einen noch sehr jungen Planeten, dessen Entstehung noch nicht ganz abgeschlossen ist.

Für Theoretiker stellen diese Beobachtungen allerdings ein großes Problem dar. Damit ein Kollaps stattfinden kann, muss die Schwerkraft, die dafür verantwortlich ist, immer stärker sein als alle entgegen wirkender Kräfte. Der größte Widerstand entsteht durch die Aufheizung der immer mehr zusammenschrumpfenden Wolke. Je höher die Temperatur ansteigt, umso stärker wird der damit verbundene Druck, der versucht, die Wolke wieder auseinander zu treiben. Aber je größer das zusammenfallende Objekt ist, desto stärker wirkt die Anziehungskraft und sorgt dafür, dass die Materie sich zu einem Stern zusammen ziehen kann. Umgekehrt erwartet man, dass die Anziehungskraft von Planeten zu schwach ist, um sie durch Kontraktion entstehen zu lassen. Offensichtlich muss es dennoch eine Möglichkeit geben, dass auch Planeten, zumindest die größten von ihnen, ebenfalls durch Kontraktion aus dem interstellaren Gas entstehen.

Eine zentrale Frage der Stellarastronomie ist mit der stellaren Massenfunktion verbunden. Diese beschreibt, wie groß der Anteil der Sterne pro Massenintervall ist. Danach gibt es wesentlich mehr kleine als große Sterne. Diese Beziehung ist von den größten Sternen mit mehr als der fünfzigfachen Sonnenmasse bis zu Kleinen mit einer halben Sonnenmasse recht gut erfüllt. Offen ist die Frage, bei welchen kleinsten Objekten die Beziehung ungültig wird. Die Beobachtungen an Sigma Orionis zeigten, dass die Massenfunktion auch für Sterne mit etwa 0,05 bis 0,08 Sonnenmassen gilt. Darunter nimmt die Zahl der Objekte pro Massenintervall wieder ab, um schließlich über einen weiten Bereich konstant zu sein. Die Beobachtungen von Jane Greaves und ihren Kollegen bestätigen diesen Befund und untermauern nun die Vermutung, dass es ebenso viele sonnenlose Planeten zwischen 1 und 12 Jupitermassen gibt wie sehr massearme Sterne.

Theoretisch könnten frei fliegenden Planeten aber auch ganz normal in Staubscheiben um junge Sterne entstanden sein. Durch nahe Begegnungen mit anderen Planeten würden sie dann aus der Scheibe heraus geschleudert worden sein. Greaves hält dies aber für unwahrscheinlich, da dafür zu viele einsame Planeten bei Rho Ophiuchi B vorkommen. Außerdem sind ihre Geschwindigkeiten zu klein. Herausgeschleuderte Planeten müssten deutlich schneller sein.

Die Beobachtungen bei Sigma Orionis und Rho Ophiuchi zeigen offensichtlich, dass Sterne und Planeten bis etwa zur Masse des Jupiter durch die gleichen Prozesse entstehen können und viele einsame Planeten in der Milchstraße herum wandern, deren Oberfläche nur vom schwachen Licht der Milchstraße erhellt wird.

Quellen:
MPIA Jahresbericht 2000
MNRAS 346, S. 441-446
New Scientist 26.11.2003

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