Einer der ältesten Sterne der Galaxis hat einen Planeten. Gesteinsplaneten bildeten sich fast zu Beginn des Universums

Wäre es überraschend, einen felsigen Planeten zu finden, der aus dem sehr frühen Universum stammt? Es sollte sein. Dem frühen Universum fehlten die schwereren Elemente, die notwendig waren, um Gesteinsplaneten zu bilden.

Aber Astronomen haben einen gefunden, genau hier in der Milchstraße.

Nach dem Urknall bestand das Universum nur noch aus leichten Elementen wie Wasserstoff und Helium, mit etwas Lithium. Gesteinsplaneten benötigen schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen, die Astronomen Metalle nennen. Diese schwereren Elemente können nur in den Herzen der Sterne gebildet werden. Und die ersten Sterne entstanden erst etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Alle extrem alten Planeten, die nicht lange nach dem Beginn des Universums entstanden sind, sollten gasförmig und nicht felsig sein. Es gab nicht genug Zeit für Sterne, um das Universum mit schweren Elementen für felsige Planeten auszusäen. Oder war da?

Der fragliche Planet umkreist den Stern namens TOI 561. TOI steht für TESS Object of Interest, was bedeutet, dass er mit dem TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) der NASA gesichtet wurde. TOI 561 ist einer der ältesten Sterne der Milchstraße; etwa 10 Milliarden Jahre alt.

TESS fand den Planeten, und ein Forscherteam nutzte Folgebeobachtungen mit dem Keck-Teleskop, um mehr darüber zu erfahren. Ihre Ergebnisse präsentierten sie auf der Sitzung der American Astronomical Society im Januar 2021. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse auch in einem Papier mit dem Titel „ Die TESS-Keck-Umfrage. II. Ein ultrakurzfristiger felsiger Planet und seine Geschwister im Transit durch den galaktischen Dickscheibenstern TOI-561 .“ Es wurde im Astronomical Journal veröffentlicht und die Hauptautorin ist Dr. Lauren Weiss, Beatrice Watson Parrent Postdoctoral Fellow am Institute for Astronomy der University of Hawaii.

TOI 561 befindet sich in seltener Gesellschaft. Es ist einer der Sterne in der sogenannten galaktischen dicken Scheibe. Die galaktische dicke Scheibe besteht fast ausschließlich aus alten Sternen, deren Chemie und Bewegung sich von der dünnen Scheibe unterscheiden. Sterne in dicken Scheiben, einschließlich TOI 561, haben eine viel geringere Metallizität als Sterne in der dünnen Scheibe. Es ist also überraschend, einen felsigen Planeten zu finden, der ihn umkreist.

Abbildung, die die strukturellen Komponenten der Milchstraße zeigt. Der Stern TOI-561 befindet sich in der dicken Scheibe (rot-orange markiert), die eine seltene, ältere Sternenpopulation enthält. Während sich fast alle bekannten Planeten innerhalb der dünnen Scheibe (orange markiert) befinden, ist der neu entdeckte Gesteins-Lava-Exoplanet, der TOI-561 umkreist, einer der ersten bestätigten Gesteinsplaneten, der einen galaktischen dicken Scheibenstern umkreist.
Credit: Kaley Brauer, MIT

„Der Gesteinsplanet, der TOI-561 umkreist, ist einer der ältesten bisher entdeckten Gesteinsplaneten. Seine Existenz zeigt, dass das Universum fast seit seiner Entstehung vor 14 Milliarden Jahren Gesteinsplaneten bildet“, sagte Hauptautor Weiss in a Pressemitteilung .

Der Planet mit dem Namen TOI-561b wurde entdeckt, als er vor seinem Stern durchquerte. Wie der Name schon sagt, wurde TESS entwickelt, um den Einbruch des Sternenlichts zu erkennen, wenn ein Planet vor einem Stern in seinem Sichtfeld vorbeizieht. Astronomen können die Größe des Planeten messen, indem sie den Lichtabfall messen, und in diesem Fall zeigt dies an, dass der Planet etwa 1,5 Erdradien hat.

So sehen Daten zu planetaren Transiten aus. Es zeigt den gemessenen Einbruch des Sternenlichts, wenn TOI 561b aus der Perspektive von TESS vor seinem Stern vorbeizieht. Bildquelle: Weiss et al., 2021

Das Team nutzte das Keck-Observatorium für Folgebeobachtungen. Der Keck hat ein spezielles Instrument namens Hochauflösendes Echelle-Spektrometer (HIRES), um die Entdeckung des Planeten zu bestätigen. HIRES ermöglicht es Astronomen, das Taumeln des Sterns zu messen, das durch den Gravitationszug des Planeten verursacht wird. Diese Messung zeigt die Masse des Planeten. In diesem Fall ist die Masse groß genug – dreimal größer als die der Erde –, dass TOI 561b eher ein dichter Gesteinsplanet als ein gasförmiger sein muss. Es gibt zwei andere Planeten, die TOI-561 umkreisen, aber beide sind Gasplaneten.

Diese Abbildung aus der Studie zeigt die Planetenrohdichte im Vergleich zum Planetenradius für kleine Planeten mit gemessenen Radien und Massen, basierend auf Ergebnissen des NASA Exoplanet Archive. TOI 561 b, c und d werden gezeigt. Planeten in unserem Sonnensystem sind zum Vergleich gezeigt. Bildquelle: Weiss et al., 2021.

Der Ursprung der alten Sterne in der galaktischen dicken Scheibe ist unklar. Sie könnten die Überreste einer alten Galaxie sein, die von der Milchstraße verschluckt wurde. Oder sie könnten die ersten Sterne sein, die sich in der Milchstraße bilden. Oder es könnte etwas anderes sein. Niemand ist sich sicher.

Als Planet, der einen alten, 10 Milliarden Jahre alten Stern umkreist, hat er viel durchgemacht. Die wandernde Bewegung von Sternen in der Scheibe führt sie manchmal über die galaktische Ebene. Ein Beobachter auf TOI 561b hätte einige atemberaubende Ausblicke auf die wunderschöne Spiralstruktur der Milchstraße erhalten. „Ich frage mich, welche Aussicht auf den Nachthimmel während seiner Geschichte von dem felsigen Planeten aus zugänglich gewesen wäre“, sagte Weiss.

Künstlerische Darstellung von TOI-561, einem der ältesten und metallärmsten Planetensysteme, die bisher in der Milchstraße entdeckt wurden. Dieses 10 Milliarden Jahre alte System hat einen heißen, felsigen Exoplaneten (Mitte), der eineinhalb Mal so groß ist wie die Erde, sowie zwei Gasplaneten (links vom felsigen Planeten), die etwa doppelt so groß sind wie die Erde . Bildnachweis: W. M. Keck-Observatorium/Adam Makarenko

Aber es gab wahrscheinlich keine Beobachter. Jetzt jedenfalls nicht. Obwohl die lange Geschichte des Planeten unbekannt ist, ist es heute zu heiß für das Leben. TOI 561b auf einem Planeten mit ultrakurzer Periode (USP). Er umkreist TOI 561 zweimal jeden Tag auf der Erde in einer Entfernung, die die Oberfläche bei etwa 2000 Grad Kelvin (1721 ° C; 3140 ° F) hält. Obwohl es sich also um einen felsigen Planeten handelt, handelt es sich bei diesem Gestein wahrscheinlich um Magma auf der Oberfläche.

Was bedeutet diese Entdeckung? Nun, es wäre überraschend, wenn es der einzige wäre. Es ist wahrscheinlich ein Hinweis darauf, dass es eine ganze Population alter, felsiger Planeten gibt, die alte Sterne umkreisen.

Tatsächlich ist TOI 561b nicht der erste Planet, der um einen galaktischen dicken Scheibenstern herum entdeckt wurde. Die Kepler-Mission fand fünf suberdgroße Planeten, die das Dreifachsternsystem umkreisen Kepler 444 . Kepler 444 wird auf etwas mehr als 11 Milliarden Jahre geschätzt, und seine fünf Planeten sind allesamt Gesteinsplaneten, die kleiner als die Venus sind. Sie sind auch ihrem Stern sehr nahe und sind glühend heiß.

Es gibt auch LHS 1815b . Es umkreist einen M-Zwergstern in der dicken Scheibe und wurde Anfang 2020 entdeckt. Es ist eine felsige Supererde und hat aufgrund seiner Nähe zu seinem Stern eine glühende Oberflächentemperatur.

Eine Illustration von LHS 1815b, einem alten felsigen Exoplaneten, der einen Stern in der galaktischen dicken Scheibe umkreist. Bildquelle: NASA

Diese Entdeckung birgt immer noch ein Rätsel. Nicht so sehr über dem Planeten selbst, sondern über der dicken Scheibe. Es gibt Meinungsverschiedenheiten und Unsicherheit über die Natur der galaktischen dicken Scheibe selbst. Einige Astronomen glauben, dass es nicht einmal als eigenständige Struktur existiert. Im Jahr 2012 veröffentlichte eine Gruppe von Astronomen im Astrophysical Journal einen Artikel mit dem Titel „ Die Milchstraße hat keine ausgeprägte dicke Scheibe .“ Sie argumentierten, dass es keine ausgeprägte dicke Scheibe gibt und sagten, ihre Daten zeigten, dass „…die Milchstraße eine kontinuierliche und monotone Verteilung der Scheibendicken hat: Es gibt keine „dicke Scheibe“, die vernünftigerweise als eigenständige Komponente charakterisiert wird.“

Niemand bestreitet die Existenz der alten Sterne selbst oder der sie umkreisenden alten Gesteinsplaneten. Aber was die Existenz dieser Planeten für unser Verständnis des Universums bedeutet, ist noch nicht klar.

Mehr:

• Pressemitteilung: Ein felsiger Planet um einen der ältesten Sterne unserer Galaxie
• Veröffentlichte Forschung: Die TESS-Keck-Umfrage. II. Ein ultrakurzfristiger felsiger Planet und seine Geschwister im Transit durch den galaktischen Dickscheibenstern TOI-561
• Universum heute: 7% der Sterne im Zentrum der Milchstraße stammten von einem einzigen Kugelsternhaufen, der zu nahe kam und zerbrochen wurde