Dennis L.
Zwei Riesenplaneten im Sternbild Volans bringen Astronomen zum Staunen, weil ihre Materie kaum mehr wiegt als eine handelsübliche Süßigkeit. Ein internationales Team hat die beiden Gasriesen TOI-791 b und TOI-791 c über mehrere Jahre hinweg mit unterschiedlichen Teleskopen beobachtet und ihre Massen erstmals präzise bestimmt. Trotz einer Ausdehnung nahe der des Jupiter bringen beide Himmelskörper nur einen winzigen Bruchteil seiner Masse auf die Waage. Damit gehören sie zu einer extrem seltenen Klasse von Exoplaneten, den sogenannten Super-Puff-Planeten, von denen bislang nur eine Handvoll bekannt ist.
Als Exoplaneten bezeichnet die Astronomie Planeten, die einen anderen Stern als die Sonne umkreisen. Die meisten dieser fernen Welten werden mit der sogenannten Transitmethode aufgespürt. Dabei registrieren Weltraumteleskope wie der Satellit TESS winzige, periodisch wiederkehrende Helligkeitsabfälle eines Sterns, die entstehen, wenn ein Planet aus Sicht der Erde vor seiner Sonne vorbeizieht. Aus der Tiefe dieses Helligkeitsabfalls lässt sich der Durchmesser des Planeten berechnen, während zusätzliche Beobachtungen Rückschlüsse auf seine Masse erlauben. Aus beiden Werten ergibt sich die mittlere Dichte, eine der wichtigsten physikalischen Kenngrößen für die Einordnung eines Himmelskörpers. Gasriesen wie der Jupiter besitzen typischerweise eine deutlich geringere Dichte als Gesteinsplaneten, weil ihr Volumen zu großen Teilen aus einer mächtigen Hülle aus Wasserstoff und Helium besteht und nicht aus festem Material. Seit dem Start von TESS im Jahr 2018 wurden auf diese Weise Tausende Kandidaten katalogisiert, von denen ein erheblicher Teil inzwischen als reale Planeten bestätigt werden konnte.
Innerhalb der bekannten Gasriesen existiert eine besonders auffällige Untergruppe, die in der Fachliteratur als Super-Puff-Planeten bezeichnet wird. Diese Objekte besitzen einen Durchmesser, der mit dem des Jupiter vergleichbar oder sogar größer ist, während ihre Masse gleichzeitig nur einen kleinen Bruchteil der Jupitermasse erreicht. Das ungewöhnliche Verhältnis aus großem Volumen und geringem Gewicht führt zu extrem niedrigen Dichtewerten, die in der Wissenschaft häufig anschaulich mit Alltagsmaterialien wie Zuckerwatte verglichen werden. Bislang sind nur wenige Vertreter dieser Klasse bekannt, weshalb jeder neue Fund für die Planetenforschung von besonderem Interesse ist. Besonders selten sind Systeme, in denen gleich zwei Super-Puff-Planeten gemeinsam denselben Stern umkreisen, weil sich aus dem direkten Vergleich zusätzliche Informationen über die Entstehung solcher Welten gewinnen lassen. Ein neu bestätigtes System aus dieser seltenen Kategorie liefert nun frisches Datenmaterial, das helfen soll, offene Fragen zur Entstehung besonders massearmer Gasriesen zu beantworten.
Die Geschichte der beiden Planeten begann nicht im Labor eines Großobservatoriums, sondern bei Freiwilligen des Citizen-Science-Projekts Planet Hunters TESS. Dort durchsuchen Laien öffentlich zugängliche Lichtkurven des NASA-Satelliten TESS nach verdächtigen Helligkeitseinbrüchen, die automatisierte Auswertungsprogramme mitunter übersehen. Ein solcher Fund führte 2019 zur Entdeckung des Kandidaten TOI-791 b, ein zweiter Hinweis auf einen weiteren Planeten im selben System kam 2023 hinzu. Weil beide Planeten den Stern TOI-791 nur alle mehrere Monate umrunden, reichten die ursprünglichen TESS-Beobachtungszeiträume allein nicht aus, um ihre Umlaufbahnen zweifelsfrei zu bestätigen. Ein internationales Team unter Leitung der Universität Oxford ergänzte die Daten deshalb über mehrere Jahre mit Beobachtungen des ASTEP-Teleskops an der Forschungsstation Concordia in der Antarktis sowie mit Messungen weiterer Bodenobservatorien auf mehreren Kontinenten. Erst die Kombination dieser unabhängigen Datensätze erlaubte es, die Umlaufzeiten beider Planeten präzise zu bestimmen und ihre Existenz endgültig zu bestätigen.
Zur Bestimmung der Massen nutzten die Forscher eine Methode, die als Transitzeitvariation bekannt ist. Weil sich die beiden Planeten TOI-791 b und TOI-791 c auf ihren Bahnen gegenseitig gravitativ beeinflussen, verschieben sich die exakten Zeitpunkte ihrer Transits von Umlauf zu Umlauf geringfügig. Aus dem Muster dieser winzigen zeitlichen Abweichungen lässt sich berechnen, wie viel Masse jeder der beiden Planeten tatsächlich besitzt, ganz ohne den Umweg über aufwendige Radialgeschwindigkeitsmessungen. Diese Auswertung ergab für TOI-791 b lediglich rund drei Prozent der Jupitermasse und für TOI-791 c etwa sechs Prozent, obwohl beide Himmelskörper im Durchmesser fast an den Gasriesen unseres Sonnensystems heranreichen. Ergänzend dazu bestätigten die Exoplaneten-Daten, dass beide Planeten den sonnenähnlichen Stern TOI-791 auf deutlich weiteren Bahnen umkreisen als die meisten bislang bekannten Gasriesen dieser Art, was ihre Entdeckung zusätzlich erschwert hatte.
TOI-791 ist ein sonnenähnlicher Stern vom Spektraltyp F7, der rund 1.110 Lichtjahre von der Erde entfernt im südlichen Sternbild Fliegender Fisch, lateinisch Volans, liegt. Beide Planeten seines Systems besitzen einen Durchmesser, der nahezu dem des Jupiter entspricht, doch ihre mittlere Dichte liegt nach den Berechnungen des Teams bei nur etwa 0,038 beziehungsweise 0,047 Gramm pro Kubikzentimeter. Zum Vergleich, Zuckerwatte kommt auf einen typischen Wert von rund 0,05 Gramm pro Kubikzentimeter, die Erde dagegen auf 5,5 und der Jupiter selbst auf etwa 1,3 Gramm pro Kubikzentimeter. Damit zählen TOI-791 b und TOI-791 c zu den luftigsten Planeten, die bislang überhaupt vermessen wurden. Ein ähnlich spektakulärer Fall wurde bereits bei einem anderen Zuckerwatteplaneten dokumentiert, allerdings handelt es sich bei TOI-791 um das seltenere Szenario zweier derart massearmer Gasriesen im selben Planetensystem. Genau diese Konstellation macht den Fund für die weitere Erforschung solcher Welten besonders wertvoll, weil sich beide Planeten unter nahezu identischen Entstehungsbedingungen gebildet haben müssen.
Für die Erklärung derart geringer Dichtewerte gehen Astronomen bei Super-Puff-Planeten allgemein nicht davon aus, dass diese Welten tatsächlich eine wattig-lockere Konsistenz besitzen. Ein Himmelskörper aus einem solchen Material würde unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft rasch in sich zusammenfallen. Als wahrscheinlicher gilt stattdessen, dass ein vergleichsweise kleiner, deutlich dichterer Kern aus Gestein von einer außergewöhnlich stark ausgedehnten Hülle aus Wasserstoff und Helium umgeben ist, welche die gemessene Größe des Planeten dominiert. Vergleichbare aufgeblähte Atmosphären wurden bereits beim Gasriesen WASP-107b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop im Detail untersucht. Nach Angaben der beteiligten Forschungsgruppen sind bislang nur vier weitere Planetensysteme bekannt, in denen sich gleich mehrere Super-Puff-Planeten um denselben Stern befinden, was TOI-791 zu einem außergewöhnlich seltenen Studienobjekt macht. Weitere Beobachtungen, etwa mit dem Weltraumteleskop TESS und ergänzenden Instrumenten, sollen künftig klären, wie viel Wasserstoff und Helium die beiden Planeten tatsächlich in ihren Hüllen tragen und welche Prozesse bei ihrer Entstehung zu derart massearmen, aber voluminösen Gasriesen geführt haben.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ASTEP confirmation of a pair of long-period Jupiter-sized planets with extremely low densities transiting TOI-791; doi:10.1093/mnras/stag864