Wie groß darf ein Planet eigentlich werden?
Wo endet der Planet? Beobachtungen mit dem James-Webb-Teleskop stellen alte Modelle der Planetenentstehung infrage.
Eine Möglichkeit, wie Gasriesen entstehen, ist die Kernakkretion, bei der feste Kerne in einer Scheibe allmählich wachsen, indem sie Gesteins- und Eiskörner anziehen, bis sie massereich genug sind, um das Gas anzuziehen, das junge Sterne umgibt.
Foto: Jean-Baptiste Ruffio
Die Astronomie kennt klare Kategorien. Sterne leuchten aus eigener Kraft. Planeten tun das nicht. Dazwischen liegen Grenzfälle. Genau dort wird es spannend. Denn einige bekannte Gasriesen sprengen die vertrauten Maßstäbe unseres Sonnensystems. Sie sind um ein Vielfaches größer als Jupiter. Die Frage liegt nahe: Gibt es eine natürliche Obergrenze für Planeten – oder verschwimmt die Grenze zu anderen Himmelskörpern?
Gasriesen ohne feste Oberfläche
Gasriesen bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium. Eine feste Oberfläche besitzen sie nicht. Stattdessen gehen ihre dichten Kerne nach außen in immer dünnere Atmosphärenschichten über. In unserem Sonnensystem gehören Jupiter und Saturn zu dieser Klasse. Beide haben Massen, die deutlich unterhalb einer kritischen Schwelle liegen. Jenseits dieser Schwelle beginnen Prozesse, die eher an Sterne erinnern.
In anderen Sternsystemen sieht das anders aus. Dort finden Astronominnen und Astronomen Gasriesen, die fünf-, zehn- oder noch mehr Jupiter-Massen erreichen. Solche Objekte stellen gängige Modelle der Planetenentstehung infrage.
Wann wird ein Planet zum Grenzfall?
Astronomisch gilt oft eine Faustregel: Ab etwa 13 Jupiter-Massen kann ein Objekt Deuterium fusionieren. Deuterium ist eine schwere Form von Wasserstoff. Diese kurze Fusionsphase reicht nicht für einen echten Stern, kennzeichnet aber sogenannte Braune Zwerge. Sie werden häufig als „gescheiterte Sterne“ bezeichnet.
Die Masse allein beantwortet die Frage jedoch nicht. Entscheidend ist auch, wie ein Objekt entstanden ist. Wuchs es in einer Staub- und Gasscheibe um einen Stern heran? Oder entstand es durch den direkten Kollaps einer Gaswolke? Genau hier setzt aktuelle Forschung an.
Ein Blick auf das System HR 8799
Ein besonders aufschlussreiches Beispiel liefert das Sternsystem HR 8799. Es liegt rund 133 Lichtjahre entfernt im Sternbild Pegasus. Der Stern ist jung, etwa 30 Millionen Jahre alt. Um ihn kreisen vier massive Gasriesen. Jeder von ihnen bringt das Fünf- bis Zehnfache der Jupiter-Masse auf die Waage. Gleichzeitig bewegen sie sich in großen Abständen zwischen 15 und 70 Astronomischen Einheiten.
Diese Kombination aus hoher Masse und großer Distanz galt lange als Problem. Klassische Modelle sagten voraus, dass solche Planeten gar nicht genug Zeit hätten, um auf diesem Weg zu entstehen. Die protoplanetare Scheibe sollte sich vorher auflösen.
Neue Hinweise durch das James-Webb-Teleskop
Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop hat sich der Blick geändert. Forschende nutzten hochauflösende Spektren, um die Atmosphären der Planeten von HR 8799 zu analysieren. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team in Nature Astronomy.
Im Fokus standen nicht leicht flüchtige Moleküle wie Wasser oder Kohlenmonoxid, sondern sogenannte refraktäre Elemente. Diese kommen nur in festen Bestandteilen der planetaren Scheibe vor. Besonders wichtig: Schwefel.
„Mit seiner beispiellosen Empfindlichkeit ermöglicht das JWST eine äußerst detaillierte Untersuchung der Atmosphären dieser Planeten und liefert uns Hinweise auf ihre Entstehungswege. Durch den Nachweis von Schwefel können wir schließen, dass die Planeten von HR 8799 wahrscheinlich auf ähnliche Weise wie Jupiter entstanden sind, obwohl sie fünf- bis zehnmal so massereich sind, was unerwartet war“, erklärte Jean-Baptiste Ruffio von der University of California San Diego.
Planeten können größer werden als gedacht
Der Nachweis von Schwefel spricht für Kernakkretion. Dabei bildet sich zunächst ein fester Kern, der später große Mengen Gas anzieht. Dass dieser Mechanismus auch bei sehr massereichen Gasriesen funktioniert, erweitert den Spielraum der Planetenphysik deutlich.
Hinzu kommt ein weiteres Indiz: Die Atmosphären der untersuchten Planeten enthalten mehr schwere Elemente als ihr Zentralstern. Auch das passt besser zu einer planetaren Entstehung als zu einem stellaren Kollaps.
„Es gibt viele Modelle der Planetenentstehung, die zu berücksichtigen sind. Ich denke, dies zeigt, dass ältere Modelle der Kernakkretion veraltet sind“, sagte Quinn Konopacky, ebenfalls von der UC San Diego.
Die offene Grenze nach oben
Trotz dieser Fortschritte bleibt eine zentrale Frage unbeantwortet. Wo liegt die Obergrenze? Können Objekte mit 15, 20 oder sogar 30 Jupiter-Massen noch als Planeten gelten, wenn sie sich wie Planeten gebildet haben?
„Ich denke, die Frage ist, wie groß ein Planet sein kann“, erklärte Ruffio. „Wo liegt die Grenze zwischen Planetenentstehung und der Entstehung von Braunen Zwergen?“
Eine klare Linie existiert bislang nicht. Masse, Entstehungsweg und chemische Zusammensetzung müssen gemeinsam betrachtet werden. Systeme wie HR 8799 zeigen, dass die Natur weniger sauber trennt, als es Lehrbücher lange nahelegten.
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