Paare von abtrünnigen Planeten, die im Orionnebel umherwandern – Physics World

Paare von abtrünnigen Planeten, die im Orionnebel umherwandern – Physics World

Zeitstempel: 12. Oktober 2023, 9:22 Uhr

Künstlerische Darstellung eines abtrünnigen Planeten, der als dunkles, gebändertes Objekt vor einem hellen Sternenhintergrund erscheint
Abtrünnige: Planeten mit Jupitermasse wurden bereits zuvor frei schwebend und ohne Mutterstern gefunden, jedoch nicht in so großer Zahl und bis zur aktuellen Studie nie als Doppelsternpaare. (Mit freundlicher Genehmigung: NASA/JPL-Caltech)

Dank neuer Beobachtungen des James Webb Space Telescope (JWST) wurden mehr als 500 frei schwebende Objekte mit Planetenmasse entdeckt, die durch den Orionnebel wandern. Am bizarrsten ist, dass etwa 40 dieser neu entdeckten Objekte im Trapezhaufen des Nebels in weiten Doppelsternpaaren existieren, was die Erwartungen über die Entstehung dieser sogenannten „Schurkenplaneten“ zunichte macht.

Frei schwebende Objekte mit Planetenmasse, die keinen Stern umkreisen, wurden bereits zuvor in Sternentstehungsregionen entdeckt, jedoch nie in der von den JWSTs beobachteten Anzahl Nahinfrarotkamera (NIRCam). Diese Objekte sind sichtbar, weil sie noch jung sind und durch die Hitze ihrer Entstehung glühen. Mit der Zeit kühlen sie ab und verschwinden aus dem Blickfeld.

Es gibt zwei Hypothesen zur Entstehung solcher frei schwebender Planeten. Zum einen entstehen sie wie Sterne, indem sie direkt aus einer sternbildenden Molekülwolke kollabieren und kondensieren. Das andere ist, dass sie sich durch Kernansammlung in der Umlaufbahn um junge Sterne bilden, nur um später durch gravitative Gezeitenkräfte und Resonanzen ausgestoßen zu werden.

Ein JuMBO-Rätsel

Bei den meisten der 540 Objekte mit Planetenmasse, die im Orionnebel gefunden wurden, „wird es mit ziemlicher Sicherheit eine Kombination beider [Prozesse] sein“, sagt er Samuel Pearson, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Hauptautor eines noch nicht begutachteten Artikels Vordruck zu den neuen Beobachtungen.

Allerdings passen die etwa 40 breiten Binärdateien – 9 % der Gesamtzahl – nicht in dieses Bild. Pearson nennt sie JuMBOs, was für Jupiter Mass Binary Objects steht, und sie sind ein Rätsel.

Das Hauptproblem, erklärt Pearson, sei die Masse der JuMBOs. Modelle sagen voraus, dass die minimale Masse, die sich direkt aus einer Molekülwolke bilden kann, dreimal so groß ist wie die von Jupiter. Diese Mindestgrenze entsteht, weil kleinere Objekte die Wärme besser speichern können und sich dadurch nicht weiter zusammenziehen. Man könnte daher erwarten, dass kleinere Körper mit Planetenmasse (einschließlich des kleinsten Objekts in den JWST-Beobachtungen, das etwa 0.6 Jupitermassen hat) sich stattdessen durch Kernakkretion – also von unten nach oben, wie die Erde – gebildet und herausgeschleudert wurden aus ihrem Ursprungssystem.

„Aber das Problem ist jetzt, dass wir sie paarweise finden“, erzählt Pearson Physik-Welt. „Wie um alles in der Welt passiert das?“

Szenarien der Planetenentstehung

Bisher liegen zwei Optionen auf dem Tisch. Einer davon ist, dass sich die anfängliche Massenfunktion, die die Verteilung der Massen beschreibt, mit denen Sterne geboren werden, auf viel kleinere Massen erstreckt, als irgendjemand vermutet hat. Das andere ist, dass diese JuMBOs irgendwie aus Planetensystemen ausgestoßen werden.

Obwohl es keine festen Modelle dafür gibt, wie ein Binärpaar ausgeworfen werden könnte, gibt es eine mögliche Erklärung Rosalba Perna der Stony Brook University, zusammen mit Yihan Wang und Zhaohuan Zhu der University of Nevada in Las Vegas, beide in den USA. In einen separaten VordruckSie schlagen ein Modell vor, bei dem zwei Riesenplaneten, die in großer Entfernung um ihren Stern kreisen, beide herausgeschleudert werden können, wenn sie sich gleichzeitig in eine Ausrichtung bewegen, während das System eine enge Begegnung mit einem nahegelegenen Stern erfährt.

Perna und Wang weisen darauf hin, dass in Modellen der Planetenentstehung Riesenplaneten in Entfernungen von über 50 astronomischen Einheiten (d. h. dem 50-fachen Abstand zwischen Erde und Sonne) von ihrem Stern direkt aus der Planetenscheibe verschmelzen können.

„In unserem Szenario bilden sich JuMBOs vorzugsweise aus Planetensystemen mit zwei Riesenplaneten mit nahe beieinander liegenden großen Halbachsen“, erzählen Wang und Perna Physik-Welt. „Wenn das Planetensystem beispielsweise groß ist, ist die wahrscheinlichste Konfiguration ein Riesenplanet bei etwa 100 AE und ein weiterer Riesenplanet bei 70 AE.“

Pushen in eine neue Domäne

In einer Krepppapier erschienen 2022, Alexander Scholz von der University of St Andrews, Großbritannien, und Kollegen sagten voraus, dass das JWST in der Lage sein würde, eine beträchtliche Anzahl von Schurkenplaneten mit geringer Masse in jungen Sternhaufen zu entdecken. Scholz sagt, die neuen Erkenntnisse im Orionnebel rechtfertigen diese Schlussfolgerung.

„Diese neu entdeckten Objekte mit Planetenmasse sind wirklich aufregend – es gibt sie überraschend zahlreich und die große Anzahl an Doppelsternen ist völlig unerwartet“, erzählt er Physik-Welt. „Das passiert, wenn man in eine neue Domäne vordringt: Man findet unerwartete Dinge.“

Im Moment liegt die Verantwortung darin, mehr Daten zu erhalten. Pearson und sein Co-Autor Mark McCaughrean, der leitende Berater der ESA für Wissenschaft und Exploration, möchte in einer zukünftigen Studie einen zweiten Blick auf die JuMBOs werfen, diesmal unter Verwendung der JWSTs Nahinfrarot-Spektrometer (NIRSpec). Diese Beobachtungen sollten bestätigen, dass sie tatsächlich die Masse eines Planeten haben, indem sie Einzelheiten zu ihrer Temperatur, Oberflächengravitation und atmosphärischen Zusammensetzung liefern. Darüber hinaus planen Pearson und McCaughrean, nach Objekten mit Planetenmasse in einem jungen Sternhaufen, NGC 2244, zu suchen, der aus dem Rosettennebel entsteht und sich 5 Lichtjahre entfernt im Sternbild Monoceros befindet. Die Sterne in NGC 000 seien weniger dicht gepackt als die im Trapezium, sagt Pearson, was bedeutet, dass die Chancen für Sternbegegnungen, bei denen Planeten aus ihren Umlaufbahnen gerissen werden, geringer sind.

„In wirklich spärlichen Regionen ist das viel weniger wahrscheinlich. Wenn wir also plötzlich keine JuMBOs mehr sehen, wäre das ein Beweis dafür, wie sich diese bilden“, erklärt er.

Obwohl wenig über diese abtrünnigen Objekte mit Planetenmasse bekannt ist, sagt Pearson, dass es in unserer eigenen Milchstraßengalaxie mehr davon geben könnte, als es Sterne gibt. Dies wirft Fragen darüber auf, wie man sie definiert: Handelt es sich um Planeten, subbraune Zwerge oder etwas anderes? Angesichts der bereits verschwommenen Grenzen zwischen diesen Kategorien spielt das möglicherweise keine Rolle, und Pearson meidet solche Diskussionen.

„Wie wir versuchen, sie zu definieren, ist eine großartige Möglichkeit, einen Streit anzuregen“, sagt er lachend.

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