Ein mysteriöser Planet von der Größe des Jupiters, der eigentlich nicht existieren dürfte, ist so bauschig wie ein Marshmallow, und die Astronomen glauben nun endlich zu wissen, warum

• Der Exoplanet WASP 107b ist ein Gasriese, der fast so groß wie Jupiter, aber weit weniger massereich ist.
• Aufgrund dieser Diskrepanz wussten die Astronomen nicht, wie ein Planet wie WASP 107b existieren könnte.
• Doch jetzt haben zwei unabhängige Forscherteams die Leistungsfähigkeit des JWST genutzt, um das Rätsel zu lösen.

Genau in unserer kosmischen Nachbarschaft, etwa 210 Lichtjahre entfernt, befindet sich ein Planet außerhalb unseres Sonnensystems, der sich jahrelang jeder wissenschaftlichen Erklärung entzog. Sein Name ist WASP 107b.

Nun glauben zwei verschiedene Astronomenteams, die Lösung gefunden zu haben. Allerdings wirft dies auch eine Reihe neuer Fragen auf, die weiterer Forschung bedürfen.

WASP 107b: Der Exoplanet, den es eigentlich nicht geben dürfte

Astronomen entdeckten diesen ungewöhnlichen Exoplaneten erstmals im Jahr 2017.

Ihre ersten Beobachtungen ließen darauf schließen, dass WASP 107b etwa so breit wie Jupiter ist, aber eine zehnmal geringere Masse besitzt, was ihm den Spitznamen „Super-Puff“ einbrachte, in Anlehnung an einen luftigen Marshmallow oder eine flauschige Zuckerwatte.

Jahrelang haben Experten versucht zu verstehen, wie ein solcher Planet einen so großen Durchmesser erreichen und dennoch so leicht bleiben kann. Wissenschaftlichen Modellen zufolge dürfte der Exoplanet nicht existieren.

„Die Leute begannen, sich nach Kräften zu bemühen, herauszufinden, wie man einen solchen Planeten erschaffen könnte“, sagte David Sing, ein von Bloomberg renommierter Professor an der Johns Hopkins University, gegenüber Business Insider.

Normalerweise werden Planeten genauso breit wie Menschen. Je mehr Materie sie verbrauchen, desto breiter – und massereicher – werden sie. Wenn dieser Exoplanet also so groß war, wie die Astronomen beobachteten, dann dürfte er nicht so wenig Masse gehabt haben.

„WASP 107b ist ein Ausreißer unter den Ausreißern“, sagte Luis Welbanks, ein NASA-Sagan-Postdoktorand an der Arizona State University.

Dank des James-Webb-Weltraumteleskops glauben nun zwei unabhängige Forschungsteams – eines unter der Leitung von Sing und eines unter der Leitung von Welbanks –, den Fall endlich gelöst zu haben. Und was noch wichtiger ist: Beide Teams kamen zu bemerkenswert ähnlichen Schlussfolgerungen, die sich gegenseitig in ihren Ergebnissen bestärken.

Beide Teams gehen davon aus, dass die Antwort auf dieses Rätsel im Kern von WASP 107b verborgen liegt. Es stellte sich heraus, dass das Zentrum dieses Exoplaneten viel heißer und massereicher ist, als Astronomen bisher dachten.

Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, mussten die beiden Teams jedoch ernsthafte Ermittlungen im Weltraum durchführen.

Wissenschaftliche Modelle stimmten nicht mit Beobachtungen überein

Warum die Astronomen Jahre brauchten, um den mysteriösen Ursprung von WASP 107b zu verstehen, liegt an einem Problem, mit dem viele Astronomen konfrontiert sind: einem Mangel an Informationen aufgrund technologischer Grenzen.

Dank vorläufiger Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop wussten die Astronomen bei der Entdeckung von WASP 107b einiges über ihn, allerdings nicht genug, um die große Frage zu beantworten.

Um diese Lücken zu füllen, griffen sie zunächst auf wissenschaftliche Modelle zurück. Eine große Lücke betraf dabei den Kern des Exoplaneten.

Wissenschaftliche Modelle ließen darauf schließen, dass der Kern relativ klein und kalt gewesen sein müsse, sagte Sing.

“Das war ein echtes Rätsel”, sagte er, da Gasriesen wie Jupiter und WASP 107b normalerweise massive Kerne benötigen, um all das Gas anzusammeln. Diese Kerne sind außerdem meist heiß, da ein kalter Kern ihn sonst auf natürliche Weise zusammenziehen und seine Größe verringern würde.

Wissenschaftlichen Modellen zufolge sei der Kern von WASP 107b jedoch kleiner als er sein sollte. Er sei nicht größer als das 4,6-fache der Erdmasse, sagte Sing.

Offensichtlich hatten die Astronomen also nicht das Gesamtbild erkannt.

Hier kommt das JWST ins Spiel: das leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschickt wurde. Mit diesem Gerät entdeckten Sing und Welbanks, dass frühere Annahmen über das Innere von WASP 107b völlig falsch waren.

Unter die Oberfläche blicken

Um das Rätsel um WASP 107b zu lösen, analysierten die Teams von Welbanks und Sing mit JWST die atmosphärische Zusammensetzung des Exoplaneten.

Jedes Team identifizierte einige der üblichen Verdächtigen wie Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Wasserdampf. Überraschenderweise fanden sie jedoch eine ungewöhnlich geringe Menge Methan.

Methan ist bei hohen Temperaturen instabil. Aber die Oberflächentemperatur von WASP 107b war so kalt, dass es mehr Methan hätte geben müssen, als das JWST beobachtete.

Die plausibelste Antwort auf dieses Methan-Rätsel sei, dass sich heißes Gas aus dem tieferen Inneren des Exoplaneten heftig mit dem kälteren Gas in Oberflächennähe vermischte, schlussfolgerten Welbanks und Sing.

„Mit diesen neuen Messungen sind wir tatsächlich in der Lage, Methan im Wesentlichen als Thermometer für das Landesinnere zu verwenden, und wir stellen fest, dass es viel heißer ist als erwartet“, sagte Sing.

Die beiden Teams veröffentlichten ihre jeweiligen Studien in der Fachzeitschrift „Nature“.

Die Tatsache, dass die Beobachtungen des JWST darauf hindeuteten, dass der Kern heißer war, bedeutete auch, dass er wahrscheinlich viel größer war, was den großen Durchmesser von WASP 107b erklären würde. Tatsächlich kamen sowohl Sing als auch Welbanks zu dem Schluss, dass der Kern viel massereicher ist als ursprünglich geschätzt.

Allerdings unterscheiden sich die Messungen der Kernmasse von Welbanks und Sing. Obwohl diese Diskrepanz weitere Untersuchungen erfordert, erzählen beide Studien im Grunde dasselbe Bild, sagt Scott Gaudi, Professor für Astronomie an der Ohio State University.

„Die Tatsache, dass dieses Ding geschwollen ist, liegt größtenteils an der hohen Innentemperatur“, sagte Gaudi, der nicht an der Forschung beteiligt war, aber ein ehemaliger Kollege und Co-Autor von Welbanks‘ Artikel ist.

Zusammenarbeit ist der Schlüssel

Dieses klare Bild des Inneren von WASP 107b bedeutet nicht, dass die Astronomen keine Fragen mehr zu dieser seltsamen Super-Puff-Sache stellen müssen. Eine verbleibende Frage ist, wie der Kern dieses Exoplaneten überhaupt so heiß werden konnte.

„Was genau die hohe Körpertemperatur verursacht, ist nicht klar“, sagte Gaudi. Aber Welbanks und Sing haben eine Theorie – eine, die laut Gaudi richtig sein könnte.

Die Umlaufbahn von WASP 107b um seinen Mutterstern ist „exzentrisch“, das heißt, sie ist nicht perfekt kreisförmig. Diese exzentrische Umlaufbahn drückt den Planeten zeitweise zusammen, und „genau wie wenn man mit Knete in den Händen spielt und sie bewegt, wird er warm“, erklärte Welbanks.

Diese wärmeerzeugende Kompression wird als Gezeitenheizung bezeichnet. Gaudi hält sie für eine gute Erklärung dafür, warum der Kern von WASP 107b so viel heißer ist als erwartet.

Doch Gaudi hat noch einige Fragen zu den Mechanismen, die dieser Gezeitenheizung zugrunde liegen.

Damit sich der Kern von WASP 107b beispielsweise durch seine exzentrische Umlaufbahn so stark erhitzen könne, müsse dieser die durch die Gezeiten hervorgerufene Hitze sehr effizient ableiten, sagte Gaudi.

Das bedeutet, dass jedes Mal, wenn der Exoplanet beim Umkreisen seines Sterns „zusammengedrückt“ wird, viel Energie in den Kern gelangt. Laut Gaudi bedeutet das auch, dass die Umlaufbahn des Exoplaneten nicht sehr lange exzentrisch bleiben sollte – schließlich sollte sie perfekt kreisförmig werden.

Warum ist die Umlaufbahn von WASP 107b also immer noch exzentrisch? Haben Sing und Welbanks ihn einfach zum richtigen Zeitpunkt entdeckt, oder gibt es etwas anderes, das die schräge Umlaufbahn des Exoplaneten aufrechterhält, wie etwa die Anziehungskraft eines Nachbarplaneten?

Welbanks und Sing planen, in der Zukunft die exzentrische Umlaufbahn von WASP 107b, die Gezeitenheizung und andere verbleibende Fragen zu erforschen.

Für Sing, Welbanks und Gaudi besteht die wichtigste Lektion aus dieser Arbeit jedoch darin, dass Zusammenarbeit zum Erfolg führt.

„Im Zeitalter der Wissenschaft, in dem viele Dinge nicht reproduzierbar sind, war es sehr beruhigend, dass zwei Teams sofort auf das Gleiche kamen“, sagte Sing.

„Wissenschaft kann besser und umfassender betrieben werden, wenn man zusammenarbeitet“, sagte Welbanks.

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