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Astronomie: Auf der Spur eines verschluckten Planeten

Spektraluntersuchungen an einem extrasolaren Planetensystem deuten darauf hin, dass einer der Trabanten in das Zentralgestirn gestürzt ist.


Seit der Entdeckung des ersten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems im Jahre 1992 wurden mehr als sechzig solche Begleiter fremder Sterne nachgewiesen. Dies ist umso bemerkenswerter, als die Astronomen sich bisher weitgehend auf indirekte Untersuchungsmethoden beschränken müssen. Da Exoplaneten nur das Licht des jeweiligen Zentralsterns reflektieren, leuchten sie zu schwach, um direkt sichtbar zu sein.

Durch die Gravitationswirkung von Planeten variiert jedoch die Position (und damit die Radialgeschwindigkeit) des zugehörigen Sterns geringfügig. Dies verursacht periodische Rot- und Blauverschiebungen im Spektrum des von ihm ausgesandten Lichts, die sich auf der Erde sehr präzise messen lassen. Allerdings findet man auf diese Weise nur jupiter-ähnliche Riesenplaneten.

Erst im November 1999 konnten amerikanische Astronomen auch den Durchgang eines – damals schon bekannten – extrasolaren Planeten vor einem Stern beobachten; dessen Helligkeit nahm dabei für drei Stunden um 1,8 Prozent ab (Spektrum der Wissenschaft 1/2001, S. 42). Diese Methode erlaubt, auch Exoplaneten von der Größe der Erde ausfindig zu machen.

Indizien für Kannibalismus


Wie Spektralanalysen ergaben, zeichnen sich die Zentralsterne bisher bekannter extrasolarer Planetensysteme durch eine auffällige Besonderheit aus: Sie enthalten ungewöhnlich große Mengen an Elementen, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Das könnte einerseits bedeuten, dass sich nur dann überhaupt Planeten bilden, wenn ein bestimmter Mindestgehalt an solchen "Metallen", wie Astronomen die schwereren Elemente nennen, im Zentrum des Sternsystems vorliegt. Andererseits ist es auch möglich, dass die Sterne diese Elemente erst später aufgenommen haben – durch nachträgliches "Verschlucken" von Planeten oder planetarem Material. Nun sind spanische und Schweizer Wissenschaftler auf ein entferntes Sonnensystem gestoßen, in dem offenbar tatsächlich ein solcher Akt des Kannibalismus stattgefunden hat.

Hauptindiz dafür ist der Gehalt des untersuchten Sterns an dem Lithium-Isotop der Masse 6, dessen Kern sich aus drei Protonen und drei Neutronen zusammensetzt. Sein Anteil in natürlichem Lithium auf der Erde beträgt 7,5 Prozent; der Rest besteht aus Lithium-7. Beide Isotope werden beim Urknall und in so genannten Spallationsreaktionen im interstellaren Medium erzeugt. Dagegen entstehen sie bei der Kernfusion in Sternen – im Unterschied zu den anderen Elementen bis zum Eisen – nicht in nennenswerten Mengen. Im Gegenteil: Lithium-6 wird im Inneren junger Sterne bereits bei Temperaturen über 1,5 Millionen Grad durch Zusammenstöße mit Protonen zerstört. Die wesentlich kälteren Planeten bewahren dagegen ihr Lithium-6 und sollten deshalb genauso viel davon enthalten wie die protostellare Wolke, aus der das Planetensystem entstanden ist.

Tatsächlich hat man bisher in Spektren metallreicher sonnenähnlicher Sterne keinerlei Lithium-6 gefunden. Lediglich bei zwei Halo- und zwei metallarmen Sternen ließ sich ein Anteil von fünf Prozent an diesem Isotop feststellen.

Lithium-6 zeigt sich allerdings nur als geringfügige Verbreiterung und leichte Asymmetrie in einer Lithium-7-Spektrallinie bei 670,8 Nanometern Wellenlänge (Bild oben). Sein Nachweis ist deshalb äußerst schwierig; er erfordert hochauflösende Spektrometer und ein sehr gutes Signal-zu-Untergrund-Verhältnis. Diese Voraussetzungen sind am VLT (Very Large Telescope) der ESO in Chile gegeben.

Eine Gruppe von zwei spanischen und zwei Schweizer Astronomen benutzte deshalb den UVES-Spektrographen am Kueyen-Observatorium des VLT bei der Suche nach Lithium-6. Im Spektrum eines metallreichen sonnenähnlichen Sterns, der sich in etwa neunzig Lichtjahren Entfernung im Sternbild Wasserschlange befindet, wurde das Team fündig. HD 82943, wie das Objekt heißt, ist mit einem Alter von 100 Millionen Jahren noch sehr viel jünger als die 4,6 Milliarden Jahre alte Sonne; außerdem hat er 10 Prozent mehr Masse und eine um 200 Grad höhere Oberflächentemperatur.

Betriebsunfall im Ballett der Planeten


Aus einer sehr genauen Anpassung an das gemessene Spektrum haben die Wissenschaftler – darunter Michel Mayor vom Observatoire de Genève, der den ersten extrasolaren Planeten um einen sonnenähnlichen Stern mit entdeckt hat – ein Verhältnis von Lithium-6 zu Lithium-7 von 12,6 Prozent bestimmt. Ein ebenfalls aufgenommenes Kontrollspektrum beim Stern HD 91888 zeigt dagegen keinerlei Lithium-6-Gehalt.

Von HD 82943 ist bekannt, dass ihn mindestens zwei jupiterähnliche Planeten annähernd im Abstand Erde-Sonne auf stark exzentrischen Bahnen umrunden. Der eine hat etwa 2,2 Jupitermassen und eine Bahnperiode von 444 Tagen; der andere benötigt 221 Tage für einen Umlauf. Astronomen aus Genf haben die beiden Trabanten im letzten und in diesem Jahr mit einem Spektrographen am Observatorium in La Silla/Chile nachgewiesen.

Die entscheidende Frage lautet nun: Wie kommt das Lithium-6 in den Stern? Im Prinzip könnte es bei Ausbrüchen (Flares) an der Sternoberfläche erzeugt worden sein – durch Stöße von Heliumkernen und Spallationsreaktionen von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Abschätzungen zeigen aber, dass dieser Prozess viel zu wenig von dem leichten Isotop liefert, um dessen hohen Anteil zu erklären. Schon 1967 hatte jedoch John B. Alexander vom Royal Greenwich Observatory in Hailsham (England) vermutet, dass sich ein expandierender Riesenstern seine Planeten einverleiben und so den Lithium-Anteil in seiner Atmosphäre erhöhen kann. Unsere Sonne wird in einigen Milliarden Jahren diese Entwicklungsphase erreichen und dann den Merkur, die Ve-nus und schließlich auch die Erde verschlucken.

HD 82943 ist zwar noch weit vom Stadium eines expandierenden Riesen entfernt. Dennoch könnte die aus den Spektraluntersuchungen abgeleitete Menge von 3,2x1044 Lithium-6-Kernen daher rühren, dass ein großer Planet oder mehrere kleinere mit insgesamt etwa zwei Jupitermassen in den Stern gestürzt sind.

Beim wahrscheinlichsten Szenario passierte dies 10 bis 30 Millionen Jahre nach der Geburt des Sterns; denn dann konnte das Lithium in dessen kälterem Außenbereich überdauern. Ursache des Sturzes dürften gravitative Vielkörper-Wechselwirkungen im Planetensystem gewesen sein – ein seltener Betriebsunfall im Ballett der Trabanten, die den Stern umrundeten. Dafür sprechen jedenfalls die sehr exzentrischen Bahnen der beiden heute noch existierenden Begleiter von HD 82943. Wechselwirkungen mit dem Planeten, der später vom Stern verschluckt wurde, könnten für ihre jetzt beobachtete gestreckte Form verantwortlich sein.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2001, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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