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In der Atmosphäre des Gasriesen TYC 8998-760-1 befindet sich ein ungewöhnlich hoher Anteil von Kohlenstoff-13.
In der Atmosphäre des Gasriesen TYC 8998-760-1 befindet sich ein ungewöhnlich hoher Anteil von Kohlenstoff-13. Bild: Daniëlle Futselaar (Artsource)

Astronomen entdecken erstmals unterschiedliche Kohlenstoffisotope auf Exoplanet

18.07.2021, 18:39

Einem internationalen Forschungsteam mit Beteiligung der Universität Genf ist erstmals der Nachweis unterschiedlicher Kohlenstoffisotope in der Gashülle eines Exoplaneten gelungen. Wie das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg am Mittwoch mitteilte, stiessen die Forschenden dabei auf einen ungewöhnlich hohen Anteil von Kohlenstoff-13 in der Atmosphäre eines rund 300 Lichtjahre entfernten Exoplaneten im Sternbild Fliege. TYC 8998-760-1 b, ein Gasriese, hat etwa die 14-fache Masse des Jupiters und ist annähernd doppelt so gross wie dieser.

Was sind Kohlenstoffisotope?
Kohlenstoff-13 gehört zu den sogenannten Isotopen. Dabei handelt es sich um verschiedene Formen des gleichen Atoms, die aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen in ihrem Kern aufweisen. Kohlenstoff besitzt sechs Protonen im Kern und in der Regel auch sechs Neutronen (Kohlenstoff-12). Diese Form kommt in der Natur zu fast 99 Prozent vor. Es gibt jedoch Isotope mit sieben (Kohlenstoff-13) und acht (Kohlenstoff-14) Neutronen.

Isotope unterscheiden sich in ihren chemischen Eigenschaften kaum voneinander. Sie bilden sich jedoch auf unterschiedliche Weise und reagieren unterschiedlich auf bestimmte Bedingungen. In vielen Forschungsgebieten lässt sich dies nutzen, etwa in der Medizin (Erkennung von Krebs) oder in der Archäologie (Altersbestimmung von Fossilien).

Um die Isotope nachzuweisen, analysierten die Wissenschaftler das Licht, das durch die Atmosphäre dieses Planeten zu uns gelangt, wenn er auf seiner Umlaufbahn – von der Erde aus gesehen – vor seiner Sonne durchzieht. Verschiedene Elemente in der Atmosphäre absorbieren Strahlung in unterschiedlicher Farbe. Das gilt ähnlich auch für Isotope – daher lässt sich anhand des Lichtspektrums feststellen, welche Isotope in der Atmosphäre vorkommen.

Das Lichtspektrum untersuchten die Forscher um Yapeng Zhang von der niederländischen Universität Leiden mit dem «Very Large Telescope» der Europäischen Weltraumagentur Esa in Chile. Von ihren Ergebnissen berichten sie im Fachmagazin «Nature».

«Es ist wirklich etwas ganz Besonderes, dass wir dies in der Atmosphäre eines Exoplaneten messen können – in so grosser Entfernung.»
Yapeng Zhang, Universität Leiden

Laut ihren Messungen kommt das Kohlenstoffisotop 13 in der Hülle des fernen Gasriesen etwa doppelt so oft vor wie in unserem Sonnensystem. Sie schliessen daraus, dass der Planet in viel grösserer Entfernung zu seinem Mutterstern entstand. Er umkreist ihn in einem Abstand, der etwa der 150-fachen Entfernung der Erde zur Sonne entspricht.

«Isotope in Exoplaneten erklärt.»Video: YouTube/ignas snellen

Hintergrund sind die komplexen Prozesse bei der Planetenbildung. So geht das Team davon aus, dass sich Kohlenstoff-13 dabei möglicherweise in Form von Kohlenmonoxid-Eis anreicherte. Dieses friert allerdings erst ab einer bestimmten Entfernung aus den sogenannten protoplanetaren Staub- und Gasscheiben aus, die junge Sterne umkreisen und später deren Planetensysteme bilden.

Die Planeten unseres Sonnensystems entstanden dabei laut den Studienautoren alle innerhalb dieser Grenze, die auch als CO-Schneelinie bekannt ist. Dies könnte erklären, dass sie weit weniger Eis mit einem hohen Anteil von Kohlenstoff-13 einsammelten als der grosse Exoplanet.

Dieser wurde übrigens erst vor zwei Jahren entdeckt – von Alexander Bohn, einem Doktoranden der Universität Leiden. Bohn ist Mitglied des internationalen Forschungsteams, das nun die Isotope nachweisen konnte.

«Es ist fantastisch, dass diese Entdeckung in der Nähe ‹meines› Planeten gemacht wurde. Es wird wahrscheinlich die erste von vielen sein.»
Alexander Bohn, Universität Leiden
Künstlerische Darstellung des Gasriesen TYC 8998-760-1b im Sternbild Fliege.
Künstlerische Darstellung des Gasriesen TYC 8998-760-1b im Sternbild Fliege.Bild: Wikimedia

Der Nachweis von Isotopen ist für die Astronomen ein Meilenstein, weil er eine neue Möglichkeit darstellt, etwas über diese weit entfernten Exoplaneten in Erfahrung zu bringen. Ignas Snellen, Astronomie-Professor an der Universität Leiden, drückt es so aus:

«Als Analogie: Angenommen, Sie arbeiten als Detektiv mit Fingerabdrücken, um einen Mord aufzuklären. Jetzt können Sie jedoch zum ersten Mal DNA-Spuren messen. Das ist ein bisschen wie das hier.»
Ignas Snellen, Universität Leiden

(dhr/sda/afp)

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