Webb-Teleskop enthüllt seltene Planetenpaar, das nicht existieren sollte

Seit der Entdeckung des Systems im Jahr 2020 haben Wissenschaftler Schwierigkeiten, zu erklären, wie beide Planeten gemeinsam überleben konnten. Nun haben Forscher am MIT mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) der NASA die Atmosphäre des Mini-Neptuns untersucht und neue Hinweise auf die Ursprünge des Systems entdeckt. JWST untersucht einen seltenen Mini-Neptun.

Die neuen Ergebnisse, die in Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden, markieren den ersten Fall, in dem Astronomen die Atmosphäre eines Mini-Neptuns gemessen haben, der sich innerhalb der Umlaufbahn eines heißen Jupiters befindet.

Die Beobachtungen zeigen, dass der kleinere Planet eine dichte Atmosphäre besitzt, die schwerere Moleküle enthält, darunter Wasserdampf, Kohlendioxid, Schwefeldioxid sowie Spuren Forscher sollte eine solche Atmosphäre nicht existieren, wenn sich der Planet an seinem aktuellen Standort, in unmittelbarer Nähe zu seinem Stern, gebildet hätte.

Stattdessen deuten die Daten darauf hin,

Stattdessen deuten die Daten darauf hin, dass sich der Mini-Neptun und sein riesiger Begleiter wahrscheinlich viel weiter entfernt in den kälteren äußeren Regionen ihres jungen Planetensystems gebildet haben. Dort hätten beide Welten dicke Atmosphären anreichern können, die reich an Eis und flüchtigen Verbindungen waren, bevor sie im Laufe der Zeit allmählich nach innen wanderten.

Wissenschaftler glauben, dass die Planeten gemeinsam näher an ihren Stern herangezogen sind, dabei jedoch ihre Atmosphären intakt behielten.

Die Studie liefert zudem den bisher stärksten Beleg dafür, dass sich Mini-Neptune jenseits der „Frostlinie" eines Sterns bilden können – jener Region, die weit genug vom Stern entfernt liegt, damit Wasser zu Eis gefrieren kann. „Dies ist das erste Mal, dass wir die Atmosphäre eines Planeten beobachten konnten, der sich innerhalb der Umlaufbahn eines heißen Jupiter befindet", sagt Saugata Barat, Postdoktorand am Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung des MIT und Erstautor der Studie. „Diese Messung zeigt uns, dass dieser Mini-Neptun tatsächlich jenseits der Frostlinie entstanden ist und bestätigt, dass dieser Entstehungsmechanismus existiert." Das internationale Forschungsteam umfasst Astronomen vom MIT, vom Harvard- und Smithsonian Center for Astrophysics, Queensland, at Austin sowie heißer Jupiter mit einem ungewöhnlichen Begleiter Mini-Neptune sind kleiner als Neptun und bestehen überwiegend aus Gas, das einen felsigen Kern umgibt.

Obwohl sie zu den häufigsten Planetentypen

Obwohl sie zu den häufigsten Planetentypen in der Milchstraße gehören, gibt es im eigenen Sonnensystem keine Beispiele dafür. Die bisher entdeckten Mini-Neptune gelten größtenteils als recht gewöhnlich. Doch im Jahr 2020 hat Chelsea X. Huang, damals Postdoktorandin am MIT (heute Professorin an der University of South Queensland), identifizierte ein solches System in einem außergewöhnlichen Fall.

Der Mini-Neptun scheint gemeinsam mit einem heißen Jupiter um seinen Stern zu kreisen – eine Konstellation, die Astronomen selten beobachten. Die Entdeckung geht auf Beobachtungen durch das Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA zurück.

Wissenschaftler, die den Stern TOI-1130 untersuchten, der sich 190 Lichtjahre entfernt befindet, stellten Anzeichen für zwei Planeten fest, die den Stern jeweils in vier und acht Tagen umkreisen. „Dies ist ein einmaliges System", sagt Huang. „Heiße Jupiter sind 'einsam', das heißt, sie haben keine Begleitplaneten innerhalb ihrer Umlaufbahn.

Sie sind so massereich und ihre

Sie sind so massereich und ihre Gravitation ist so stark, dass alles innerhalb ihrer Bahn einfach weggestreut wird. Doch irgendwie hat sich bei diesem heißen Jupiter ein innerer Begleiter erhalten." Und das wirft Fragen darüber auf, wie sich ein solches System bilden konnte.

Vorhersage der perfekten JWST-Beobachtung Das ungewöhnliche System veranlasste Wissenschaftler, die Planeten mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) genauer zu untersuchen, insbesondere den inneren Mini-Neptun TOI-1130b. Doch die richtige Zeitplanung für die Beobachtungen erwies sich als schwierig. Die meisten Planeten umkreisen ihre Sterne mit einer Uhren-Präzision, sodass ihre Bewegungen leicht vorhergesagt werden können.

In diesem Fall jedoch befinden sich der Mini-Neptun und der heiße Jupiter in einer „mittlere Bahnresonanz" bezeichneten Konfiguration. Ihre gravitativen Wechselwirkungen verändern ihre Umlaufbahnen leicht und verschieben damit die Zeitpunkte ihrer Bewegungen um den Stern.

Um dieses Problem zu lösen, haben

Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher unter der Leitung Universität Lund frühere Beobachtungen des Systems kombiniert und ein detailliertes Modell entwickelt, um vorherzusagen, wann die Planeten aus der Perspektive des JWST vor dem Stern vorbeiziehen werden. „Es war eine herausfordernde Vorhersage, und wir mussten punktgenau treffen", sagt Barat.

Die Bemühungen zahlten sich aus und ermöglichten es dem Team, detaillierte Messungen beider Planeten durchzuführen.

Wasserdampf und schwere Moleküle enthüllen die Wahrheit. „Der Vorteil des JWST besteht darin, dass es nicht nur in einer Farbe, sondern in verschiedenen Farben, also Wellenlängen, beobachtet," erklärt Barat. „Und die spezifischen Wellenlängen, die ein Planet absorbiert, können viel über die Zusammensetzung seiner Atmosphäre verraten." Das Teleskop erkannte deutliche Signaturen, Kohlendioxid, Schwefeldioxid sowie geringeren Mengen an Methan in der Atmosphäre des Mini-Neptuns.

Diese schwereren Moleküle fallen besonders auf,

Diese schwereren Moleküle fallen besonders auf, da Planeten, die sich nahe an ihren Sternen bilden, im Allgemeinen leichte Atmosphären mit einem Überwiegen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass TOI-1130b sich ursprünglich viel weiter haben muss, bevor er nach innen wanderte.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Planet ursprünglich Wasser und andere flüchtige Verbindungen in der kalten Region jenseits der Frostgrenze gesammelt hat. In dieser Umgebung gefriert Wasser an Staubpartikel an und bildet eisige Kieselsteine, die ein wachsendes Planetensystem in seine Atmosphäre aufnehmen kann. Wenn sich der Planet später dem Stern nähert, verdampft das Eis.

Barat zufolge deuten die atmosphärischen Belege stark darauf hin, dass sich beide Planeten in den äußeren Bereichen des Systems bildeten und gemeinsam langsam nach innen wanderten. „Dieses System repräsentiert eine der seltensten Architekturen, die Astronomen je entdeckt haben", sagt Barat. „Die Beobachtungen 1130b liefern den ersten Hinweis darauf, dass solche Mini-Neptune, die jenseits der Wasser-/Eisgrenze entstehen, tatsächlich in der Natur vorkommen." Referenz: „JWST Unveils a High Mean Molecular Weight Atmosphere for Mini-Neptune TOI-1130 b: Evidence for Formation Beyond the Water Ice Line*", Tyler Fairnington, Shelby Courreges, Chelsea Huang, Andrew Vanderburg, Caroline V.

Morley, Judith Korth, Hannu Parviainen, Alexis

Morley, Judith Korth, Hannu Parviainen, Alexis Brandeker, George Zhou, Thomas M. Evans-Soma, Lizhou Sha, Douglas N. C. Lin, Duncan Wright, Ava Morrissey, Emma Nabbie, Karen A. Collins, Phil Evans, Tristan Guillot, Keith Horne, Don J. Radford, Richard P. Schwarz, Avi Shporer, Gregor Srdoc und Olga Suarez, 5. Mai 2026, The Astrophysical Journal Letters.

DOI: 10.3847/2041-8213/ae5f8b Diese Arbeit wurde teilweise durch die NASA unterstützt.