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Manchmal werden auch hartgesottene Astrophysiker poetisch:

“The study of extrasolar planetary systems has provided a host
of surprises that include the realization that the photospheres
of many white dwarf stars are the graveyards for rocky bodies
that once orbited these … The photospheres present a tableau on
which the elemental compositions of these erstwhile asteroids
or rocky planets are displayed.”

Ein Gemälde oder eine Leinwand aus Helium und Wasserstoff, schöner kann man es nicht ausdrücken. So beginnen Zuckerman et al. ein (etwas älteres) Paper zu einem Forschungsgebiet, dass mehr Aufmerksamkeit verdient hätte: Die Studie der Zusammensetzung von zerlegten Exoplaneten um weiße Zwerge.

Ein neues Paper über deren Zusammensetzung wurde gerade veröffentlicht: In Xu et al., Elemental compositions of two extrasolar rocky planetesimals (in Astrophysical Journal, hier für lau in ArXiv) geht es, wie der Titel schon andeutet, um die chemische Zusammensetzung von Planeten, und zwar solchen aus Gestein und keine Gasriesen. Und die herauszufinden, ist wahrlich sehr schwierig. Man kann bisher von Exoplaneten eigentlich nur sehr indirekt über die Masse eine Idee der Zusammensetzung herleiten.

(Übrigens immer eine hervorragende Informationsquelle für Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Kosmochemie und Planetologie: Cosmochemistry Papers).

In einigen wenigen Fällen gab es spektroskopische Daten der Atmosphäre. Aber die Gesamtzusammensetzung ? Schwierig – die einzige Möglichkeit ist bisher, den Staub kaputter Planeten zu beobachten. Mittels Infrarotspektroskopie kann die mineralogische Zusammensetzung einigermaßen bestimmt werden. Aus der Mineralogie erhält man eine gute Idee der Chemie. Das ist wo ich ein wenig drin verwickelt bin (z.B. hier). Der Staub wird in der Regel in Kollisionen in sehr jungen Sonnensystemen während der Trümmerscheiben-Phase (wie z.B. Beta Pictoris) produziert. Man beobachtet also die Entstehung der Planeten, hin und wieder größere Ereignisse in etwas älteren Fällen.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Überreste vergangener Planeten zu beobachten, die langsam in den äußeren Schichten, der Photosphäre eines weißen Zwerges herniedersinken. Das ist was auch Xu et al., betreiben.

Ein weißer Zwerg ist das was von einem Stern niedriger/mittlerer Masse in der Größenordnung z.B. unserer Sonne ganz am Ende übrigbleibt. Wenn die wasserstoffverbrutzelnde Phase vorbei ist (bei unserer Sonne so in etwas 5-6 Milliarden Jahren), bläht sich der Stern zu einem roten Riesen auf, um dann noch Kohlenstoff, Sauerstoff und Helium zu verbraten. Am Ende dieser Epoche wird der Riesenstern instabil und wird seine äußeren Schichten ab. Zurück bleibt ein kleiner, weißer Zwerg, in dem keine Fusion mehr stattfindet. Weiße Zwerge sind sehr dicht, mit in etwa der Sonnenmasse im Volumen der Erde.

Die Photosphäre eines weißen Zwerges besteht praktisch nur aus Wasserstoff und/oder Helium. Alle anderen beobachteten Elemente müssen eine externe Quelle haben – vom Kern des Sterns kann nix hochkommen, und die starke Schwerkraft erlaubt keine lange Aufenthaltsdauer von Material in der Photosphäre. Es muss als irgendwas permanent von außen nachrieseln.

Lange Zeit nahm man an, dass es sich hierbei um Staub aus dem interstellaren Raum handelte. Über die letzten 10 Jahre entstand ein neues Modell für die Ursache der stellaren Luftverschmutzung (es wird tatsächlich als ‚pollution‘ bezeichnet). Die rote Riesen-Phase und nachfolgender Massenverlust sind nicht gut für die Stabilität eines Sonnensystems. Dadurch geraten Körper gerne zu nah an den dichten Stern, und werden von den Gezeitenkräften zerrissen und bilden eine Trümmer- und Staubscheibe (wenn sie nicht gleich direkt im Stern enden).
Eine sehr schöne Übersicht über den aktuellen Stand findet sich in Jura, The Elemental Compositions of Extrasolar Planetesimals (lobenswerterweise wieder auch in ArXiv, das sollte Schule machen).

Mittels hochauflösender Spektroskopie im optischen und ultravioletten Bereich kann eine Reihe an Elementen identifiziert und quantifiziert werden. Das sind in der Regel Sauerstoff, Magnesium, Silizium, und Eisen, aber auch z.B. Kohlenstoff, Kalzium, Titan, Chrom, Schwefel, Nickel.

Die Vergleiche mit Elementverhältnissen in Meteoriten und planetaren Gesteinen ergibt erstaunliche Ergebnisse. Gänsicke et al. kommen zum Schluss, das die chemische Bandbreite vergleichbar der der Meteorite und planetaren Materialien in unseren Sammlungen sind.

Ein Kandidat, GD 40 hat für die meisten beobachteten Elemente ähnlich der Gesamterde (Jura et al., 2012).

Ein anderer weißer Zwerg mit dem schönen Namen NLTT 43806 hat gar eine Ähnlichkeit zu der Zusammensetzung von Kruste/oberer Mantel der Erde.

Sogar ein hoher Wassergehalt (26%) wurde für einen Fall (möglicherweise) gefunden.

Natürlich sind die Fehlerbalken, also Messungenauigkeiten etc. bei solchen Beobachtungen und Modellierungen auch ordentlich, aber die Ähnlichkeiten sind schon erstaunlich.

In dem am Anfang genannten Paper von Xu et al. kommt eine Mischung aus Achondriten (Howardite) und Chondriten (gewöhnliche Chondrite) den Elementen in der stellaren Atmosphäre vom weisen Zwerg G29-38 am nächsten. Da könnte also eine Ladung verschiedener Asteroide in den Stern rieseln. CR Chondrite und Mesosiderite sind die Kandidaten für den zweiten weißen Zwerg, also wohl wieder ein Mix aus verschiedenen Planetesimalen oder Asteroiden.

Das ist jetzt nicht ganz so spektakulär wie die obigen Entdeckungen, aber gerade die Gewöhnlichkeit der Körper ist es, was die Sache so interessant macht. Die extraterrestrischen Gesteine in unseren Sammlungen sind nix besonderes, sondern total gewöhnlich. 25% der weißen Zwerge zeigen erhöhte ‚Verschmutzung‘, also sollten Planetensystem sehr häufig sein. Mit anderen Worten, um diese fremden Sterne hat sich ein Sonnensystem mit Körpern gebildet, die wohl denen in unserm sehr ähnlich waren. Das auch bedeuten, dass wir das forensische Wissen aus der Laboruntersuchung von Meteoriten durchaus auch auf Vorgänge in anderen Sonnensystemen anwenden können.

2 Kommentare zu “Eine Leinwand aus Wasserstoff und Helium: Zerfetzte Exoplaneten und weiße Zwerge

  1. Pingback: Exoplaneten, Plattentektonik und Astrobiologie: Es passt in der Tat alles zusammen | EXO- PLANETAR

  2. Pingback: Exoplaneten, oder: wie man seiner Zeit unwissentlich weit voraus sein kann | EXO- PLANETAR

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