Zeichnung zur Entdeckung von Kohlenstoff-13 in der Atmosphäre eines Exoplaneten. In Wirklichkeit saßen die Astronomen hinter ihren Schreibtischen und analysierten die Spektren des Exoplaneten, die mit dem Very Large Telescope der ESO in Chile aufgenommen wurden.

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Astrophysik Was uns "Super-Jupiter" über die Entstehung von Exoplaneten verrät

22. September 2021, 10:06 Uhr

Auf dem "Super-Jupiter" genannten Exoplaneten "TYC 8998-760-1 b" wurden Kohlenstoff-13-Isotope festgestellt. Das könnte ein wichtiger Schritt beim Verständnis der Planetenentstehung sein.

Die Materie dieser Untersuchung ist in jeglicher Hinsicht schwer.
Schwer im Sinne von massereich – und schwer zu verstehen.

Einerseits geht es um den Exoplaneten "TYC 8998-760-1 b", einen Gasriesen, der etwa 14-mal so massereich ist wie "unser" Gasriese Jupiter.
Und andererseits geht es um eine Entdeckung, die mit Kohlenstoff-Isotopen in der Planeten-Atmosphäre zu tun hat. Neben Astronomie und Physik also auch noch Chemie.

Kohlenstoff-12 vs. Kohlenstoff-13

Beginnen wir bei diesen Isotopen. Das sind verschiedene Ausprägungen eigentlich gleicher Atome. Der Unterschied liegt in der Anzahl der Neutronen im Atomkern.

Beim Kohlenstoff hat ein typisches Atom jeweils sechs Protonen und Neutronen im Kern, weshalb man vom Kohlenstoff-12-Isotop spricht. Es gibt aber auch Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14. Bei diesen Isotopen sind zwar ebenfalls sechs Protonen im Kern vorhanden, jedoch sieben bzw. acht Neutronen.

Schematische Darstellung eines Kohlenstoff-12- und eines Kohlenstoff-13-Isotops. Der Unterschied liegt in der Anzahl der Neutronen im Atomkern.

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Chemisch unterscheiden sich die Isotope nicht sonderlich. Kohlenstoff bleibt Kohlenstoff. Aber weil unter gleichen Bedingungen nur gleiche Isotope entstehen, sind unterschiedliche Isotope immer ein guter Anhaltspunkt dafür, dass sich an den Entstehungsbedingungen etwas geändert haben muss.

Dieses Wissen hilft in Forschung und Medizin enorm – zum Beispiel bei der Erkennung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs, aber auch bei der Untersuchung von Klimaveränderungen und bei der Analyse von Gesteinen und Fossilien.

"Super-Jupiter"

So könnte Exoplanet "TYC 8998-760-1 b" in etwa aussehen. Der 309 Lichtjahre entfernte Gasriese ist etwa dreimal so groß und ungefähr 14-mal so massereich wie Jupiter.

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Aber zurück zum Exoplaneten "TYC 8998-760-1 b", der 309 Lichtjahre von uns entfernt ist. Er selbst wurde erst vor kurzem entdeckt. Außergewöhnlich an ihm ist neben seiner Größe, die ihm den Namen "Super-Jupiter" einbrachte, seine weite Entfernung vom Zentralstern.

Zum Vergleich: In unserem Sonnensystem ist der äußerste Planet Neptun etwa 30 AE von der Sonne entfernt (AE steht für Astronomische Einheit, eine AE ist der mittlere Abstand zwischen Sonne und Erde). "TYC 8998-760-1 b" ist dagegen 162 AE von seinem Zentralstern entfernt, mehr als fünfmal so weit.

Neue Entdeckung

Und jetzt machte ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen eine weitere Entdeckung. Sie konnten Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 in der Atmosphäre des Gasriesen erfolgreich unterscheiden, weil die beiden Isotope Strahlung in leicht unterschiedlichen Farben absorbieren.
Aus der Erfahrung anderer Planeten wäre nun zu erwarten gewesen, dass ungefähr eines von 70 Kohlenstoff-Atomen als Kohlenstoff-13 daherkommt. Aber es waren etwa doppelt so viele. Und das ist eine Riesenüberraschung.

Der Grund dürfte in der Entstehung des Exoplaneten zu finden sein, die offenbar anders war als bei den meisten anderen Planeten.

Bei einer so großen Entfernung haben sich möglicherweise Eise mit mehr Kohlenstoff-13 gebildet, was den höheren Anteil dieses Isotops in der heutigen Atmosphäre des Planeten verursacht.

Paul Mollière, Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg

Schneelinie

Hier wird die sogenannte CO-Schneelinie interessant. Noch so ein schwieriger Begriff.
CO steht für Kohlenstoffmonoxid. Und die Schneelinie ist eine Temperaturgrenze bei der Planetenentstehung (aus einer protoplanetaren Scheibe aus Gas und Staub).
Je weiter entfernt vom Zentralstern sich Gas und Staub befinden, desto kälter wird das Material, bis bei einer bestimmten kritischen Entfernung, der Schneelinie, Moleküle in dem Gas auf den Staubkörnern ausfrieren. Dieser Vorgang soll eine ausschlaggebende Rolle bei der Bildung aller Planeten gespielt haben.

Illustration der Geburtsumgebung von Planeten in einer proto-planetaren Scheibe, die sich um einen jungen Stern gebildet hat. Die beiden Planeten innerhalb der CO-Schneelinie repräsentieren Jupiter und Neptun an ihren aktuellen Positionen, während TYC 8998 b weit außerhalb dieses Bereichs entstanden ist. In einer solchen Entfernung vom Mutterstern wird erwartet, dass der meiste Kohlenstoff im CO-Eis eingeschlossen wurde und das Hauptkohlenstoffreservoir des Planeten bildete. Folglich war das Eis reich an Kohlenstoff-13, was zu dem beobachteten Isotopenverhältnis in der Atmosphäre des Planeten führte.

Bildrechte: Yapeng Zhang (Leiden Observatory) / MPIA-Grafikabteilung

"TYC 8998-760-1 b" dürfte also weit jenseits der CO-Schneelinie entstanden sein, weil der Anteil an Kohlenstoff-13 in seiner Atmosphäre so hoch ist.

Zukunft

Ignas Snellen, Universitätsprofessor für Astronomie im niederländischen Leiden und treibende Kraft hinter dem ganzen Projekt, erwartet, dass die Isotope in Zukunft weiter helfen werden, genau zu verstehen, wie, wo und wann Planeten entstehen.

Aber dazu muss erst mal nach mehr Kohlenstoff-13 Ausschau gehalten werden. Jetzt weiß man, wie es geht.