Ein Planet, der nicht existieren sollte, stellt die Theorie der Planetenbildung in Frage

Die Entdeckung eines Riesenplaneten, der einen winzigen Stern umkreist, stellt die bisherige Theorie der Planetenentstehung auf den Kopf. Ein solcher Planet sollte einfach nicht existieren, und doch haben Astronomen die unverwechselbare Signatur eines riesigen Planeten identifiziert, der den kleinen Stern umkreist.

Ein spannender Fund

TOI-6894 ist ein kleiner Roter Zwerg, wie viele in unserer Galaxie, und hat etwa 20 % der Masse unserer Sonne. Er sollte eigentlich keine geeigneten Bedingungen für die Bildung und Beherbergung eines so großen Planeten bieten, doch die Astronomen haben die eindeutige Signatur eines Riesenplaneten gefunden, der den kleinen Stern - TOI-6894b - umkreist.

"Ich war von dieser Entdeckung sehr begeistert", erklärt Dr. Edward Bryant, der die Arbeiten an der University of Warwick und am Mullard Space Science Laboratory (MSSL) des UCL leitete. "Wir hatten nicht erwartet, dass sich Planeten wie TOI-6894b in der Nähe von Sternen mit so geringer Masse bilden können. Diese Entdeckung wird ein Eckpfeiler für das Verständnis der extremen Formen der Bildung von Riesenplaneten sein".

Die Entdeckung wurde durch den Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA gemacht und durch das Very Large Telescope der ESO sowie die Projekte SPECULOOS und TRAPPIST bestätigt.

"Das Transitsignal war in unseren Daten eindeutig ", sagt Dr. Khalid Barkaoui, Forscher in den Teams von SPECULOOS und TRAPPIST. "Unsere Analyse schloss alle alternativen Erklärungen aus - das einzig brauchbare Szenario war, dass dieser winzige Stern einen Planeten von der Größe eines Saturns mit einer Umlaufzeit von etwas mehr als drei Tagen beherbergt. Zusätzliche Beobachtungen bestätigten, dass seine Masse etwa halb so groß ist wie die des Saturns. Dies ist eindeutig ein Riesenplanet."

TOI-6894 ist der massearmste Stern, auf dem bisher ein transitierender Riesenplanet entdeckt wurde, und er ist 60 % so groß wie der nächstkleinere Stern, der einen solchen Planeten beherbergt.

"Die meisten Sterne in unserer Galaxie sind eigentlich kleine Sterne wie dieser, mit geringer Masse, von denen man bisher annahm, dass sie keine Gasriesenplaneten beherbergen können. Die Tatsache, dass dieser Stern einen Riesenplaneten beherbergt, hat also große Auswirkungen auf die Gesamtzahl der Riesenplaneten, die wir in unserer Galaxie vermuten", sagt Dr. Daniel Bayliss, außerordentlicher Professor in Warwick.

Aktuelle Theorien infrage stellen

Die Entdeckung stellt die Kernakkretionstheorie in Frage, die führende Theorie zur Planetenentstehung, die besagt, dass sich ein Planetenkern durch allmähliche Ansammlung von Material bildet. Sobald der Kern massiv genug ist, zieht er Gase an, um eine Atmosphäre zu bilden, und wird dann durch unkontrollierte Gasakkretion zu einem Gasriesen.

Nach dieser Theorie ist die Bildung von Gasriesen in der Nähe von Sternen mit geringer Masse jedoch schwierig. Die Menge an Gas und Staub in einer protoplanetaren Scheibe um den Stern ist zu gering, um die Bildung eines ausreichend massereichen Kerns und den Runaway-Prozess zu ermöglichen.

"Die Existenz von TOI-6894b ist mit den bestehenden Modellen nur schwer zu vereinbaren. Keines kann vollständig erklären, wie er entstanden ist", sagt Dr. Mathilde Timmermans, Mitglied des SPECULOOS-Teams an der Universität Lüttich, als die Entdeckung gemacht wurde. "Das zeigt, dass unser Verständnis unvollständig ist und unterstreicht die Notwendigkeit, mehr solcher Planeten zu finden."

"Das ist eine faszinierende Entdeckung. Wir verstehen nicht wirklich, wie ein Stern mit so wenig Masse einen so massereichen Planeten bilden kann", fügt Dr. Vincent Van Eylen vom MSSL des UCL hinzu, "Das ist eines der Ziele der Suche nach weiteren Exoplaneten. Indem wir Planetensysteme finden, die sich von unserem Sonnensystem unterscheiden, können wir unsere Modelle testen und besser verstehen, wie unser eigenes Sonnensystem entstanden ist."

Dr. Bryant glaubt, dass TOI-6894b durch einen intermediären Prozess der Kernakkretion entstanden sein könnte, bei dem sich ein Protoplanet bildet und kontinuierlich Gas akkretiert, ohne dass der Kern massiv genug für eine unkontrollierte Gasakkretion wird, oder aufgrund einer gravitativ instabilen Scheibe: "In einigen Fällen wird die Scheibe, die den Stern umgibt, aufgrund der Gravitationskraft, die sie auf sich selbst ausübt, instabil. Diese Scheiben können dann zerbrechen, wobei das Gas und der Staub kollabieren und einen Planeten bilden", sagt er.

Keine der beiden Theorien erklärt jedoch die Entstehung von TOI-6894b anhand der verfügbaren Daten vollständig, so dass die Entstehung des Riesenplaneten vorerst unklar bleibt.

Analyse der Atmosphäre

Eine detaillierte Analyse der Atmosphäre könnte den Astronomen Aufschluss darüber geben, wie sich TOI-6894b gebildet hat. Durch die Messung der Materialverteilung im Inneren des Planeten können sie die Größe und Struktur seines Kerns bestimmen, was Aufschluss darüber geben kann, ob TOI-6894b durch Akkretion oder als instabile Scheibe entstanden ist.

Interessant ist, dass der Planet für einen Gasriesen ungewöhnlich kalt ist. Die meisten Gasriesen sind heiße Jupiter mit Temperaturen von ~1000-2000 Kelvin; TOI-6894b hat nur 420 Kelvin.

Professor Amaury Triaud von der Universität Birmingham und SPECULOOS sagt: "Aufgrund der stellaren Bestrahlung von TOI-6894b gehen wir davon aus, dass in der Atmosphäre die Methanchemie dominiert, die nur sehr selten nachgewiesen werden kann. Die Temperaturen sind so niedrig, dass wir bei atmosphärischen Beobachtungen sogar Ammoniak nachweisen könnten, was das erste Mal wäre, dass es in der Atmosphäre eines Exoplaneten vorkommt."

Triaud sagt, dass der Planet "wahrscheinlich einen Referenz-Exoplaneten für die Untersuchung von methandominierten Atmosphären und das beste 'Labor' zur Untersuchung einer Planetenatmosphäre mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff außerhalb des Sonnensystems darstellt."

Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) soll in den nächsten 12 Monaten die Atmosphäre von TOI-6894b beobachten und könnte den Astronomen dabei helfen festzustellen, welche der möglichen Theorien die Entstehung dieses unerwarteten Planeten erklären kann.

Quellenhinweis:

A transiting giant planet in orbit around a 0.2-solar-mass host star, Nature Astronomy, June 2025. Bryant, E. M., et al.