Wie der Stern, so der Planet
Eines der Muster, das sich bei den Tausenden von Exoplaneten, die Astronomen bisher entdeckt haben, herauskristallisiert hat, ist, dass die grösseren Planeten häufig massereichere Sterne umkreisen. Der Grund dafür war bisher unbekannt. Eine neue Studie unter der Leitung von Forschenden der Universität Zürich und Mitgliedern des Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS bietet nun eine Antwort auf dieses kosmische Rätsel.
Massereichere Sterne werden in der Regel von grösseren Planeten umkreist. Die Planeten und Sterne sind nicht massstabsgetreu. Credit: Michael Lozovsky.
Grosse Menschen haben oft grosse Eltern. Kleine Menschen haben meist kleine Eltern. Was Generationen von Menschen beobachtet hatten, wurde schliesslich durch die Genetik erklärt: Kinder erben die Gene ihrer Eltern und teilen daher viele ihrer Eigenschaften. In mancherlei Hinsicht haben Sterne und Planeten ähnliche Beziehungen wie Eltern und ihre Kinder. Sterne sind zum Beispiel älter als ihre Planeten, sie sind grösser und kontrollieren vieles, das mit den Planeten, die sie umkreisen, geschieht. Oft wird der Stern, den ein Planet umkreist, als sein “Mutterstern” bezeichnet. Aber wie viel ist an dieser Analogie dran? Geben Sterne einige ihrer Eigenschaften an die Planeten weiter, die sie umkreisen – wie zum Beispiel ihre Grösse? Forschende der Universität Zürich fanden heraus, dass da zumindest etwas dran ist, wie ihre in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Ergebnisse nahelegen.
Ein kosmisches Rätsel
Ehemaliger Doktorand an Gruppe für Rechnergestützte Astronomie an der Universität Zürich und assoziiertes Mitglied des NFS PlanetS, Michael Lozovsky. zVg.
“In den letzten Jahren haben Astronomen herausgefunden, dass massereichere Sterne oft von grösseren Planeten umkreist werden”, beginnt Michael Lozovsky, Erstautor der Studie, ehemaliger Doktorand an der Universität Zürich und Mitarbeiter des NFS PlanetS, zu erklären. “Dies scheint auf den ersten Blick intuitiv zu sein, aber der Grund dafür ist nicht offensichtlich, und es gab bisher keine gründlichen Versuche, dies zu erklären”, so Lozovsky.
Anders als Kinder werden Planeten jedoch nicht von ihrem Stern “geboren”. Stattdessen bilden sie sich aus demselben kosmischen Gas und Staub. Dies geschieht zwar mit einer gewissen Verzögerung – die Sterne beginnen sich früher zu bilden –, aber der Stern ist oft noch nicht ausgewachsen, wenn die Planeten zu entstehen beginnen. Eine Art “Erbe”, wie beim Menschen, ist also nicht der Grund dafür, dass massereiche Sterne von grösseren Planeten umkreist werden.
Aber die folgenden drei Theorien, die Lozovsky und seine Kollegen formuliert haben, könnten dieses Muster erklären:
- Planeten um massereichere Sterne sind heisser: Grössere Sterne sind heisser und strahlen mehr Energie ab als kleinere Sterne. Dadurch heizen sie die sie umgebenden Planeten stärker auf. Wenn die Planeten heisser werden, blähen sie sich auf und werden grösser.
- Planeten um massereichere Sterne sind massereicher: Da die Grösse eines Planeten mit der Masse zunimmt, könnte es sein, dass massereichere Sterne von grösseren Planeten umkreist werden, weil die Planeten schlicht selbst auch massereicher sind.
- Planeten um massereichere Sterne haben eine grössere Atmosphäre: Die Atmosphäre, die den Planeten umgibt, kann ebenfalls ein wichtiger Faktor für seine Grösse sein. Wenn grössere Sterne eher von Planeten umkreist werden, die Atmosphären aus leichten Gasen wie Wasserstoff und Helium haben, könnte auch dies ihre Grösse und das beobachtete Muster erklären.
Leichte Gase machen grosse Planeten
Professorin für Rechnergestützte Astronomie an der Universität Zürich und Mitglied des NFS PlanetS, Ravit Helled. Credit: Jos Schmid
Mithilfe von NASA-Datenbanken untersuchte das Team zunächst die verfügbaren Informationen über Tausende von Planeten. Wie zum Beispiel Temperatur und Grösse. “Wenn grössere Planeten tatsächlich heisser wären, wäre das in den Daten sichtbar gewesen. Wir haben jedoch das Gegenteil festgestellt: Heissere Planeten sind manchmal sogar kleiner, möglicherweise, weil die starke Sternstrahlung einen Teil ihrer Atmosphäre verdampft”, so Lozovsky.
Die Überprüfung der beiden anderen Theorien erforderte mehr als Statistik. “Mithilfe spezieller Computermodelle haben wir simuliert, wie sich die Grösse der Planeten ändert, wenn ihre Masse zunimmt”, erklärt Lozovsky. Das Team fand heraus, dass die Planeten bei einer bestimmten zusätzlichen Masse nicht wesentlich grösser werden, sondern dass sie stattdessen eher dichter werden.
Die Forschenden verwarfen also auch diese Erklärung. Übrig blieb die dritte Theorie, gemäss welcher die grössere Grösse der Planeten auf einen höheren Anteil leichter Gase zurückzuführen ist. “Diesmal fanden wir ein klares Signal – die Variation der Zusammensetzung hatte einen grossen Einfluss auf die Grösse der Planeten und könnte daher die beobachtete Beziehung zur Sternmasse erklären. Daraus können wir auch folgern, dass grössere Sterne eher von Planeten mit grösseren Atmosphären umkreist werden”, sagt Lozovsky.
“Die Ergebnisse helfen uns nicht nur abzuschätzen, welche Arten von Planeten einen bestimmten Stern wahrscheinlich umkreisen, sondern könnten uns auch helfen, Lücken in unserem Verständnis der Planetenentstehung zu schliessen”, betont Mitautorin, NFS PlanetS-Mitglied und Professorin für Computerastronomie an der Universität Zürich, Ravit Helled. Aus ihren Ergebnissen schliessen die Forschenden, dass Planeten um grössere Sterne während ihrer Entstehung Gase schneller ansammeln. Dies ist wichtig, weil das Gas und der Staub, aus denen sich die Planeten bilden, zu verdampfen beginnen, wenn der Stern wächst und stärker strahlt. Die Planeten haben also nur eine begrenzte Zeit, um zu wachsen und sich anzueignen, was sie für ihre spätere Existenz brauchen – nicht ganz unähnlich den Kindern, von denen man erwartet, dass sie irgendwann auf eigenen Füssen stehen.
Angaben zur Publikation: M. Lozovsky et al., Why do more massive stars host larger planets?, Astronomy & Astrophysics, August 2021
DOI: 10.1051/0004-6361/202140563
