Sterne mit Planeten weisen keinen besonderen Fingerabdruck auf
Unter Beteiligung des NFS PlanetS, hat ein internationales Team von Wissenschaftlern die chemische Zusammensetzung von 84 Sternen mit hoher Präzision bestimmt. Entgegen einer gängigen Theorie zeigen ihre Resultate, dass es wohl keine klaren chemischen Unterschiede zwischen Sternen mit und ohne Planeten gibt.
Eine künstlerische Darstellung zweier Sterne, Kepler-68 und Kepler-100, und ihren chemischen „Fingerabdrücken“. Bild: Tobias Stierli
Seit 25 Jahren ist mittlerweile bekannt, dass nicht nur um die Sonne Planeten kreisen, sondern auch um andere Sterne. Seitdem haben Wissenschaftler über 4000 Planeten um eine Vielzahl von Sternen gefunden. Um massive Sterne und leichte, um relativ heisse Sterne und um eher kühle. Es schien, als ob jede Art von Stern Planeten haben könnte.
Doch durch einige Studien kam die Theorie auf, nach der Sterne mit Planeten eine bestimmte chemische Zusammensetzung haben. Der Ursprung dieser Theorie war die chemische Eigenart der Sonne – sozusagen ihr „chemischer Fingerabdruck“, verglichen mit ähnlichen Sternen. Weitere Studien, die ähnliche chemische Fingerabdrücke bei anderen Sternen mit Planeten feststellten, haben die Theorie untermauert. Dieses Muster würde, wenn es tatsächlich für alle Sterne mit Planeten gelten würde, bedeuten, dass man bei der Suche nach Planeten gezielt nach Sternen mit dem passenden Fingerabdruck suchen könnte. Das wäre eine grosse Hilfe für Astronomen. Doch so eindeutig scheint sich dieses Muster nicht durchzuziehen, denn es wurden auch widersprüchliche Studienergebnisse publiziert.
Schwerkraft, Temperatur und Metallizität (Farbe) der 16 Planeten-Sterne (Kreise) und der 68 Vergleichssterne (Kreuze). Quelle: Liu et al. (2020).
Um zu klären ob es dieses Muster nun tatsächlich gibt oder nicht, untersuchte ein Team von Wissenschaftlern, darunter der ETH-Forscher und PlanetS-Mitglied Haiyang Wang, die chemische Zusammensetzung von 16 Sternen mit Planeten – einschliesslich unsere Sonne. Anschliessend verglichen sie diese „Fingerabdrücke“ mit solchen von 68 Sternen ohne Planeten, die aber sonst ähnlichen Eigenschaften aufwiesen. Also ähnlicher Temperatur, Schwerkraft und Metallizität – ein Mass für die Häufigkeit von anderen Elementen als Wasserstoff und Helium.
Exakte Messungen
Für seine Untersuchungen nutze das Team das 10-Meter-Keck-Teleskop – einem der leistungsstärksten Teleskope der Welt, das auf Hawaii in über 4000 Metern Höhe über dem Meeresspiegel steht. „Mit Hilfe des HIgh-Resolution Echelle Spectrometer (HIRES) spalteten wir das Licht der Sterne in seine jeweiligen Wellenlängenanteile zerlegt – ähnlich einem Prisma, das weisses Licht in die Farben des Regenbogens spaltet“, erklärt Haiyang Wang. Am Beispiel des Sterns Kepler-68 (siehe folgende Abbildung) ist anhand von Tiefpunkten im Signal erkennbar welche Anteile des Lichtes die Elemente des Sternes absorbieren. Denn die Positionen der Tiefpunkte sind für jedes Element charakteristisch. Die Stärke eines bestimmten Tiefpunktes gibt wiederum an, wie viel des jeweiligen Elements auf dem Stern vorkommt.
Das gemessene Licht des Sterns Kepler-68 mit Signaltiefpunkten die die Absorption der jeweilig gekennzeichneten Elemente zeigen. Bild: D. Yong; Datenverarbeitung: F. Liu, H.S. Wang und D. Yong.
„Damit konnten wir das Vorkommen von 19 verschiedenen Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Natrium, Magnesium, Kalzium, Eisen und Nickel in jedem der Sterne messen“, so Wang. Mit Hilfe von Analysetechniken, die sie selbst entwickelt hatten, konnten sie so sehr präzise „Fingerabdrücke“ der Sterne erstellen.
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Dr. Haiyang Wang is a postdoctoral fellow in the Exoplanets and Habitability Group at ETH Zurich.
Die Ergebnisse bestätigen teilweise, was frühere Studien herausgefunden hatten: “Die Sonne unterscheidet sich chemisch tatsächlich von ihren Vergleichssternen”, wie der Leitautor der Studie, Fan Liu von der Swinburne University of Technology erklärt. Insbesondere mangelt es ihr an jenen Elementen, die Hauptbausteine von terrestrischen Planeten wie unserer Erde, dem Mars und der Venus sind. Der Mangel an diesen „Planeten-Bausteinen“ auf der Sonne hatte zu der Theorie geführt, dass dies mit der Entstehung der Planeten in unserem Sonnensystem zusammenhängen könnte. Die Frage, die Wang und seine Kollegen zu beantworten versuchten: Ist das bei allen Sternen mit Planeten so?
Verschiedene Fingerabdrücke
Ihre Antwort: Nein. “Wir haben dieses Muster der Sonne nicht bei allen Sternen mit Planeten gefunden”, sagt Wang. Vielmehr zeigen ihre Ergebnisse, dass diese Sterne gemessen an ihren Vergleichssternen, die keine Planeten haben, eine grosse Vielfalt in der chemischen Zusammensetzung aufweisen.
Dies wird beispielsweise beim Vergleich der Sterne Kepler-68 und Kepler-100 deutlich. Während Kepler-68 einen ähnlichen Fingerabdruck wie die Sonne aufweist, gilt dies für Kepler-100 nicht – und das, obwohl beide Sterne Planeten haben. Das zeigt, dass Planeten um chemisch unterschiedliche Sterne kreisen können.
Elementhäufigkeit der Sterne Kepler-68 und Kepler-100, die beide Planeten haben, verglichen mit ähnlichen Sternen. Die „Fingerabdrücke“ sind sehr verschieden. Quelle: Liu et al. (2020)
Es bleiben Fragen offen
Auch wenn die Ergebnisse des Teams keine klaren chemischen Unterschiede zwischen Sternen mit und solchen ohne Planeten zeigen, schliessen sie nicht aus, dass dieses Muster dennoch existieren könnte. Ein Grund dafür ist, dass die Ergebnisse auf der Annahme basieren, dass die Vergleichssterne keine Planeten haben. Doch Wang fügt an: “Obwohl um die Vergleichssterne bisher keine Planeten entdeckt wurden, könnten zumindest einige von ihnen dennoch Planeten haben”. Anstatt auf das Vorhandensein von Planeten hinzuweisen, könnte das Muster dann eher ein Indikator dafür, wie gleichmässig die Elemente im frühen Sternensystem verteilt waren. Oder wie effizient die Planeten diese Elemente während ihrer Entstehung ansammelten.
In jedem Fall geben die detaillierten „Fingerabdrücke“ der Sterne eine Vorstellung davon, welche Art von planetarischen Zusammensetzungen in ihrem System zu erwarten sind. Nach dem Motto: „Kenne den Stern, kenne die Planeten“, wie es Studienmitautor David Yong von der Australian National University ausdrückt. Das wollen Wang und andere Mitglieder von PlanetS in der Exoplanets and Habitability Gruppe an der ETH Zürich weiter, wie Wang sagt: “Wir verwenden jetzt die Ergebnisse der Sterne mit Planeten, um die innere Zusammensetzung und Struktur der Planeten zu untersuchen”. Langfristig könnten die „Fingerabdrücke“ der Sterne so die Suche nach potentiell bewohnbaren erdähnlichen Planeten beschleunigen.
Referenz:
Detailed chemical compositions of planet-hosting stars – I. Exploration of possible planet signatures, F Liu, D Yong, M Asplund, H S Wang, L Spina, L Acuña, J Meléndez, I Ramírez, https://doi.org/10.1093/mnras/staa1420
