Rogue Planet über die Größe der Erde in der Milchstraße entdeckt

In unserer Galaxie wimmelt es möglicherweise von Schurkenplaneten, die gravitativ an keinen Stern gebunden sind. Ein internationales Team von Wissenschaftlern, angeführt von polnischen Astronomen, hat die Entdeckung des kleinsten erdgroßen frei schwebenden Planeten angekündigt, der bisher gefunden wurde.

Über viertausend extrasolare Planeten wurden bisher entdeckt. Obwohl viele der bekannten Exoplaneten denen in unserem Sonnensystem nicht ähneln, haben sie eines gemeinsam — sie alle umkreisen einen Stern. Theorien zur Planetenentstehung und -entwicklung sagen jedoch die Existenz frei schwebender (Schurken-) Planeten voraus, die gravitativ nicht an einen Stern gebunden sind. In der Tat haben polnische Astronomen des OGLE-Teams des Astronomischen Observatoriums der Universität Warschau vor einigen Jahren den ersten Beweis für die Existenz solcher Planeten in der Milchstraße erbracht. In Astrophysical Journal Letters kündigten OGLE-Astronomen die Entdeckung des kleinsten bisher gefundenen Schurkenplaneten an.

Exoplaneten können nur selten direkt beobachtet werden. Normalerweise finden Astronomen Planeten mithilfe von Beobachtungen des Lichts vom Mutterstern des Planeten. Zum Beispiel, wenn ein Planet vor der Scheibe seines Elternsterns kreuzt, dann fällt die beobachtete Helligkeit des Sterns periodisch um einen kleinen Betrag ab, was sogenannte Transite verursacht. Astronomen können auch die vom Planeten verursachte Bewegung des Sterns messen.

Frei schwebende Planeten emittieren praktisch keine Strahlung und umkreisen per Definition keinen Wirtsstern, sodass sie mit herkömmlichen Methoden der astrophysikalischen Detektion nicht entdeckt werden können. Dennoch können Schurkenplaneten mit einem astronomischen Phänomen namens Gravitationsmikrolinsen entdeckt werden. Mikrolinsen resultieren aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie — ein massives Objekt (die Linse) kann das Licht eines hellen Hintergrundobjekts (der Quelle) biegen. Die Schwerkraft der Linse wirkt wie eine riesige Lupe, die das Licht entfernter Sterne biegt und vergrößert.

„Wenn ein massereiches Objekt (ein Stern oder ein Planet) zwischen einem erdgebundenen Beobachter und einem entfernten Quellstern hindurchgeht, kann seine Schwerkraft das Licht von der Quelle ablenken und fokussieren. Der Beobachter wird eine kurze Aufhellung des Quellsterns messen“, erklärt Dr. Przemek Mroz, Postdoktorand am California Institute of Technology und Erstautor der Studie. „Die Chancen, Mikrolinsen zu beobachten, sind extrem gering, da drei Objekte – Quelle, Linse und Beobachter — nahezu perfekt ausgerichtet sein müssen. Wenn wir nur einen Quellstern beobachten würden, müssten wir fast eine Million Jahre warten, bis die Quelle mikrolinsenförmig ist „, fügt er hinzu.

Aus diesem Grund überwachen moderne Vermessungen, die nach gravitativen Mikrolinsenereignissen suchen, Hunderte von Millionen von Sternen im Zentrum der Milchstraße, wo die Chancen auf Mikrolinsen am höchsten sind. Die OGLE-Umfrage – angeführt von Astronomen der Universität Warschau — führt eines dieser Experimente durch. OGLE ist eine der größten und längsten Himmelsdurchmusterungen und wurde vor über 28 Jahren in Betrieb genommen. Zur Zeit, OGLE Astronomen verwenden eine 1.3-meter-Teleskop befindet sich am Las Campanas Observatory, Chile. Jede klare Nacht richten sie ihr Teleskop auf die zentralen Regionen der Galaxie und beobachten Hunderte von Millionen von Sternen, auf der Suche nach denen, die ihre Helligkeit ändern.

Die Gravitationsmikrolinse hängt nicht von der Helligkeit der Linse ab und ermöglicht daher die Untersuchung schwacher oder dunkler Objekte wie Planeten. Die Dauer von Mikrolinsenereignissen hängt von der Masse des Linsenobjekts ab — je weniger massiv die Linse ist, desto kürzer ist das Mikrolinsenereignis. Die meisten beobachteten Ereignisse, die typischerweise mehrere Tage dauern, werden von Sternen verursacht. Mikrolinsenereignisse, die frei schwebenden Planeten zugeschrieben werden, haben Zeitskalen von kaum wenigen Stunden. Durch Messung der Dauer eines Mikrolinsenereignisses (und der Form seiner Lichtkurve) können wir die Masse des Linsenobjekts abschätzen.

Die Wissenschaftler kündigten die Entdeckung des kürzesten Mikrolinsenereignisses an, das jemals gefunden wurde, genannt OGLE-2016-BLG-1928, das die Zeitskala von nur 42 Minuten hat. „Als wir dieses Ereignis zum ersten Mal entdeckten, war klar, dass es von einem extrem winzigen Objekt verursacht worden sein muss“, sagt Dr. Radoslaw Poleski vom Astronomischen Observatorium der Universität Warschau, Mitautor der Studie. Tatsächlich deuten Modelle des Ereignisses darauf hin, dass die Linse weniger massiv gewesen sein muss als die Erde, es war wahrscheinlich ein Objekt mit Marsmasse. Darüber hinaus ist die Linse wahrscheinlich ein Schurkenplanet. „Wenn die Linse einen Stern umkreisen würde, würden wir seine Anwesenheit in der Lichtkurve des Ereignisses feststellen“, fügt Dr. Poleski hinzu. „Wir können ausschließen, dass der Planet einen Stern innerhalb von etwa 8 astronomischen Einheiten hat (die astronomische Einheit ist der Abstand zwischen der Erde und der Sonne).“

OGLE-Astronomen lieferten vor einigen Jahren den ersten Beweis für eine große Population von Schurkenplaneten in der Milchstraße. Der neu entdeckte Planet ist jedoch die kleinste Schurkenwelt, die jemals gefunden wurde. „Unsere Entdeckung zeigt, dass frei schwebende Planeten mit geringer Masse mit bodengebundenen Teleskopen nachgewiesen und charakterisiert werden können“, sagt Prof. Andrzej Udalski, der Leiter des OGLE-Projekts.

Astronomen vermuten, dass sich frei schwebende Planeten tatsächlich in protoplanetaren Scheiben um Sterne gebildet haben (als „gewöhnliche“ Planeten) und nach gravitativen Wechselwirkungen mit anderen Körpern, beispielsweise mit anderen Planeten im System, aus ihren Elternplanetensystemen ausgestoßen wurden. Theorien der Planetenentstehung sagen voraus, dass die ausgestoßenen Planeten typischerweise kleiner als die Erde sein sollten. Das Studium frei schwebender Planeten ermöglicht es uns, die turbulente Vergangenheit junger Planetensysteme wie unseres Sonnensystems zu verstehen.

Die Suche nach frei schwebenden Planeten ist einer der wissenschaftlichen Treiber des Nancy Grace Roman Space Telescope, das derzeit von der NASA gebaut wird. Das Observatorium soll Mitte der 2020er Jahre seinen Betrieb aufnehmen.

Aufgrund der Kürze des Ereignisses waren zusätzliche Beobachtungen des Korea Microlensing Telescope Network (KMTNet) erforderlich, um das Ereignis zu charakterisieren. KMTNet betreibt ein Netzwerk von drei Teleskopen – in Chile, Australien und Südafrika.

Referenz: „A terrestrial-mass rogue planet candidate detected in the shortest-timescale microlensing event“ von Przemek Mróz, Radoslaw Poleski, Andrew Gould, Andrzej Udalski, Takahiro Sumi und Michal K. Szymanski, Igor Soszynski, Pawel Pietrukowicz, Szymon Kozlowski, Jan Skowron, Krzysztof Ulaczyk, (OGLE Collaboration), Michael D. Albrow, Sun-Ju Chung, Cheongho Han, Kyu-Ha Hwang, Youn Kil Jung, Hyoun-Woo Kim, Yoon-Hyun Ryu, In-Gu Shin, Yossi Shvartzvald, Jennifer C. Yee, Weicheng Zang, Sang-Mok Cha, Dong-Jin Kim, Seung-Lee Kim, Chung-Uk Lee, Dong-Joo Lee, Yongseok Lee, Byeong-Gon Park, Richard W. Pogge und (KMT Collaboration), 29. Oktober 2020, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/abbfad
arXiv: 2009.12377

Die Entdeckung wäre ohne Langzeitbeobachtungen des OGLE Sky Survey unmöglich. Das Projekt gehört zu den größten und längsten Himmelsdurchmusterungen und wurde vor über 28 Jahren in Betrieb genommen. Eines der ersten Ziele der OGLE-Umfrage war die Suche und Untersuchung dunkler Materie mit der Gravitationsmikrolinsentechnik. Aktuelle Studien decken ein breites Themenspektrum ab – die Suche nach Exoplaneten, die Untersuchung der Struktur und Entwicklung der Milchstraße und benachbarter Galaxien, Untersuchungen variabler Sterne, Quasare, Transienten und Körper des Sonnensystems.