Neue Beobachtungen eines massereichen Exoplaneten lassen an einem theoretischen, scheinbar zuverlässigen Werkzeug zweifeln, mit dem sich der Ursprungsort von Exoplaneten in ihrem Sternsystem bestimmen lässt. Zu dem Ergebnis kommt eine internationale Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg sowie des Observatoire de la Côte d’Azur in Nizza, wie sie in der Fachzeitschrift »Astronomy & Astrophysics« berichtet.

Der junge Exoplanet Beta Pictoris b im südlichen Sternbild Maler wurde bereits im Jahr 2008 entdeckt. Zehn Jahre später gelang einer Forschungsgruppe sogar die Aufnahme eines Videos seiner Bewegung um den rund 23 Millionen Jahre alten Stern Beta Pictoris – in kosmischen Maßstäben sind sowohl der Stern als auch seine Planeten noch sehr jung. Aufgrund seiner hohen Restwärme aus der Entstehungszeit weist Beta Pictoris b eine Oberflächentemperatur von etwa 1500 Grad Celsius auf und leuchtet besonders hell im infraroten Spektralbereich. Mit rund elf Jupitermassen ist er der massereichste von mindestens drei bekannten Planeten des Systems. Er benötigt rund 23 Jahre für einen Umlauf um seinen Zentralstern.

Schon vor einigen Jahren wurde mit dem Instrument GRAVITY am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile der Entstehungsort des Gasplaneten untersucht. Damit lassen sich physikalische Eigenschaften wie die Atmosphärenzusammensetzung direkt abgebildeter Exoplaneten mit extrem hoher Genauigkeit untersuchen. Grundlage für die Messung war die Hypothese, dass das planetare Kohlenmonoxid (CO) ab einem bestimmten Abstand zum Zentralstern durch niedrige Temperaturen in der Atmosphäre des Exoplaneten gefriert. Das führt zu einem messbar anderen Verhältnis der Kohlenstoffisotope ¹²CO und ¹³CO. Das schwerere Isotop (¹³CO) wird demnach eher in das Eis eingebaut. Kennt man dieses Verhältnis sowie die Strahlungsintensität von Beta Pictoris, lassen sich daraus Rückschlüsse auf den genauen Entstehungsort des Planeten ziehen.

Die damaligen Ergebnisse legten nahe, dass sich der Planet sehr viel weiter außen als dort bildete, wo er jetzt seine Kreise zieht. Das würde bedeuten: Entweder ist der Gasplanet innerhalb der protoplanetaren Scheibe nach innen gewandert, die Messungen waren fehlerhaft oder der theoretische Ansatz ist unvollständig.

Korrektur der Werte 

In einer Folgestudie hat nun ein Team des MPIA sowie des Observatoire de la Côte d’Azur nochmals eine Messung durchgeführt – dieses Mal mit dem modernisierten Instrument GRAVITY+. Dieses verfügt unter anderem über eine verbesserte adaptive Optik. Damit ergab sich ein deutlich höherer Wert für das Isotopenverhältnis. Das bedeutet, dass der Anteil von ¹²CO im Vergleich zu ¹³CO in der Atmosphäre des Planeten größer ist als zuvor angenommen. Der Entstehungsort des Planeten rückt somit näher an den Stern heran und die Ergebnisse decken sich besser mit den theoretischen Modellen sowie den aktuellen Beobachtungen seiner Position im Sternsystem.

Das stellt Astronomen allerdings vor ein Problem: Fast alle der etwa ein Dutzend bisher untersuchten jungen Gasplaneten weisen ähnliche Werte auf, kurzum: Die Methode verliert an Aussagekraft. Die sich während der Planetenentstehung ausbildenden chemischen Abweichungen zwischen der Gas- und der Eisumgebung scheinen nicht signifikant genug, als dass sich aus dem ¹²CO/¹³CO -Verhältnis verlässliche Rückschlüsse auf ihren Entstehungsort ziehen ließen. Antonia von Stauffenberg, Hauptautorin der Studie, betont in der Pressemitteilung des MPIA die doppelte Herausforderung in der Methode: »Es ist nach wie vor schwierig, ¹³CO als Indikator für die Entstehung von Riesenplaneten zu nutzen, da sowohl in den Modellen als auch in den Messungen weiterhin Unsicherheiten bestehen.«