Schwerer Zwerg

[msueper]

Hallo,
sicherlich habt Ihr auch dieses gelesen:
http://astronews.com/news/artikel/2008/ ... -006.shtml

Irgendwo habe ich gelesen, dass das Objekt etwa so gross wie Jupiter aber ca. 21x so schwer sei. Damit würde es ungefähr die doppelte Dichte von Bei haben.
Was ist denn überhaupt so schwer? Uran erreicht das Gewicht ja kaum?
Martin

zu den Dichtewerten:
http://www.pse118-online.de/Zusatzinfos ... ewerte.htm

[gravi]

Das ist in der Tat eine interessante Geschichte!

Die Werte sind zwar vorerst sicher nur Näherungswerte, wenn sie aber zutreffen sollten wir langsam eine größere Rakete auftanken!

In etwa doppelt so schwer wie Blei sind z.B. die Metalle Gold, Platin oder Iridium. Die genauen Koordinaten sind ja bekannt, also wann starten wir?

Im Ernst, es ist extrem unwahrscheinlich, gleich einen ganzen Planeten anzutreffen, der komplett aus Schwermetallen besteht. Dazu sind sie zu selten im Kosmos. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass durch irgendeinen Separationsmechanismus eine Anhäufung schwerer Elemente in der protoplanetaren Staubscheibe erfolgt sein könnte.
Wir erleben ja fast täglich neue Überraschungen, die von der beobachtenden Astronomie gemeldet werden - Dinge, an die bisher noch niemand dachte.

Gruß
gravi

[msueper]

Hallo,
ich schätze mal eher sowas:

Hot-Jupiter im Endstadium, d.h. die leichten Stoffe, allen voran Gase, sind weggeblasen worden. Jetzt sieht man nur noch den Kern des Planeten. Durch die hohe Gravitation wird zudem alles "kompaktiert".
Obschon: eigentlich sollte der Kern ja vorrangig aus Eisen bestehen...
Martin

[Maclane]

Das glaube ich eher nicht. Denn dann wäre das ursprüngliche Objekt ja noch schwerer gewesen. Und wie soll man von einem Kern, der 20 Jupitermassen hat, die Atmosphäre wegblasen?

Gruß Mac

[gravi]

Das glaube ich auch nicht, bei dieser Masse kann Gas wohl nur aus allerhöchsten Atmosphärenschichten entweichen, die Gravitation eines solchen Boliden ist sicher hammerhart.

Wir haben es hier mit einer ganz schön harten Nuss zu tun, die nicht leicht zu knacken ist. Ich hatte auch schon an den Überrest eines ehemaligen Sterns gedacht, doch wüsste ich nichts, was da in Frage kommen könnte. Die Dichte würde aber auf so etwas hinweisen...

Gruß
gravi

[tomS]

Etwas spekulativ: Man geht ja davon aus, dass es noch unentdeckte, schwere Elemente gibt, die relativ stabil gegen radioaktiven Zerfall sind, da sie abgeschlossene Protonen und Neutronenschalen haben: http://www.weltderphysik.de/de/971.php. Die hätten natürlich auch die entsprechende Dichte.

Ebenfalls spekulativ: Eine weitere Möglichkeit wäre die Existenz neuartiger Quarkmaterie,z.B. Pentaquarks, d.h. vier Quarks plus ein Antiquark ( gebunden ähnlich wie ein Nukleon mit drei Quarks) mit einer relativ langen Lebensdauer: http://de.wikipedia.org/wiki/Pentaquark. Diese Art der Materie wäre sicher ebenfalls etwas dichter als gewöhnliche Kernmaterie.

Man bräuchte in beiden Fällen jedoch zusätzliche Effekte, um Zerfälle dieser Materie zu unterdrücken, d.h. sie zu stabilisieren. Das könnte jedoch aufgrund der hohen Dichte möglich sein. Z.B. hat ein freies Neutron eine mittlere Lebensdauer von nur ca. 15 min. bzgl. Betazerfall in Proton, Elektron und Antineutrino. Ein Neutron in einem stabilen Atromkern hat dagegen eine unbegrenzte Lebensdauer, d.h. es wird durch die umgebende Kernmaterie stabilisiert.

[BauBraun]

Hallo Alle,

Interessante Spekulationen... aber... vielleicht ist die Erklärung viel einfacher.

Ich habe irgendwo mal aufgeschnappt dass die Größe von Jupiter so ziemlich die maximal Größe eines Gasriesen sein kann.

-> Sprich: Wenn man einem Gasriesen wie Jupiter ver-X-fachen würde, käme wieder nur Jupiter raus, zwar mit mehr Masse, aber eben nicht größer.

Siehe auch Wikipedia/ Jupiter/ Allgemeines/ 4. Absatz.

Die Gravitation würde das alles einfach weiter komprimieren. Vielleicht ist auch ganz einfach nur genau das geschehen. Mit genug Gravitation bekommt man ja auch irgendwann Neutronensterne, Schwarze Löcher...

Die Tabelle der Dichtewerte ist ja nur auf der Erde gültig, und in 'freier Wildbahn'. Siehe Helium mit 0,17... Schaut mal in eine Helium- Druckflasche...

Nette Grüße
Lothar

[tomS]

Aber so einfach funktioniert das nicht. Bei Gasriesen kann man über die Kompression eine höhere Dichte erreichen. Bei Schwermetallen - und in diesen Dichtebereichen bewegen wir uns hier - bleibt die Dichte auch bei extrem hohen Druck praktisch konstant (siehe z.B. auch Wasser am Meeresboden: hoher Druck bei gleicher Dichte).

D.h. wir benötigen hier entweder neue Materieformen oder zumindest neue Elemente, um die höhere Dichte zu erklären.

[Skeltek]

Die Masse der durch den im Artikel genannten Sateliten entdeckten Planeten wurde durch Spektroskopie ermittelt/geschaetzt(steht in einem anderen Artikel zu dem Staeliten).
Die Groesse des Planeten wurde durch geringe Schwankungen in der Leuchtintensitaet der zugehoerigen Sterns geschaetzt.
Fuer mich waere es interessant zu wissen, wie zum Henker man mithilfe von Spektroskopie die Masse eines Planeten bestimmen kann, aber keine Rueckschluesse ueber dessen Entstehung(Zusammensetzung vielleicht auch nicht?).
Kann das jemand vielleicht fuer mich erklaeren?

Gruesse, Skel

[Maclane]

D.h. wir benötigen hier entweder neue Materieformen oder zumindest neue Elemente, um die höhere Dichte zu erklären.

Weiß ich nicht. Aber im Kern der Sonne haben wir auch die zehnfache Dichte von Blei und da ist praktisch nur Wasserstoff und Helium.
Also warum sollte so ein Gas-Überriese nicht auch aus "normalen" Elementen bestehen?

Gruß Mac

[gravi]

@Mac:
Sehe ich eigentlich auch so. Neue Elemente müssen wir nicht erfinden, es gibt sie nicht im Kosmos. Das weiß jeder, der sich schon mal etwas näher mit der Elementsynthese in den Sternen und Supernovae beschäftigt hat.
Das Rätsel ist einfach die hohe Dichte, denn die relativ geringe Masse, die wir hier haben, kann eigentlich Materie durch gravitative Wirkung nicht so stark komprimieren. Es ist ja nur ein Bruchteil der Sonnenmasse.

@Skeltek:
Einen Exoplaneten kann man sehr wohl durch die Spektroskopie entdecken. Wenn ein solcher Körper einen Stern umkreist, kommt er ja einmal auf uns zu, ein andermal entfernt er sich von uns. Das entspricht winzigen Blau- bzw. Rotverschiebungen, und die kann man im Spektrum nachweisen.
Es gibt noch ein paar andere Methoden, um etwas über solche Planeten heraus zu bekommen, kannst Du hier nachlesen:

http://abenteuer-universum.de/planeten/exo.html

Aus all diesen Daten geht aber nichts über die Entstehung des Planeten hervor, auch nicht über dessen Zusammensetzung. Dazu sind die Objekte einfach zu weit entfernt.

Gruß
gravi

[tomS]

Im Sonnenkern hast du sicher metallischen Wasserstoff.

Woher kennst aber du genaue Dichte?

[BauBraun]

Hallo Tom,

Ich glaube fast Du verhedderst Dich gerade ein bisschen. Ich bin kein Astrophysiker, aber mittlerweile habe ich doch schon so ein bisschen was mitbekommen.

Bei Gasriesen kann man über die Kompression eine höhere Dichte erreichen.

Genau, bei GAS- Riesen... es dreht sich hier hier um Gas, oder habe ich da etwas überlesen?

> Bei Schwermetallen - und in diesen Dichtebereichen bewegen wir uns hier -

Exakt, wir bewegen und 'bei diesen Dichtebereichen', dewegen ist aber Gas immer noch Gas, und kein Schwermetall!

> bleibt die Dichte auch bei extrem hohen Druck praktisch konstant (siehe z.B. auch Wasser am Meeresboden: hoher Druck bei gleicher Dichte).

Ausgerechnet Wasser hast Du jetzt als Referenz genommen. Dass Wasser sich praktisch nicht komprimieren lässt ist eine spezielle Anomalie des Wassers. Streich das mal. Selbst Stahl lässt sich komprimieren, frag mal einen Schmied.

> Im Sonnenkern hast du sicher metallischen Wasserstoff.

Schon wieder metallisch...

Immer wenn die Astrophysiker von 'metallisch' oder 'metallizität' reden, ist allergrößte Vorsicht geboten, was die so alles als metallisch nennen... selbst ein Frosch hat bei denen eine erstaunliche Metallizität. Einfach deshalb, weil die Sterngugger alles was schwerer ist als Helium als metallisch bezeichnen.

Metallischer Wasserstoff hat mit dem was 'normale Menschen so unter Metall verstehen' ungefähr so viel zu tun wie Zitronenfalter mit Zitronen.

Nette Grüße
Lothar

[tomS]

Hallo Zusammen, hallo BauBraun,

ich glaube nicht, dass ich mich da verheddere. Nochmal die Fakten aus dem ursprünglichen Artikel:

CoRoT-Exo-3b hat ungefähr die Größe des Jupiters, jedoch eine 20-fach größere Masse

Die Vermutung liegt nahe, dass die Dichte von Exo-3b doppelt so groß ist, wie die von Blei.

Blei hat eine Dicht von ca. 11 g/cm³; wir bewegen uns also jenseits der 20 g/cm³ und damit im Bereich von Elementen wie Platin, Osmium, Iridium. Damit ist es aber grundsätzlich egal, aus welchem Element das Objekt besteht, es muss wohl in einer metallischen Phase vorkommen, da sonst die hohen Dichtewerte nicht zu erklären sind.

Jetzt zur Theorie mit dem Gasriesen: Natürlich kannst du weitere Masse hinzufügen und dadurch höhere Dichten erreichen. Dieser Prozess kommt jedoch irgendwann zum erliegen, da du Materie nicht beliebig komprimieren kannst - selbst wenn du beliebig hohe Drücke anwendest. Wenn du Gase stark komprimierst, findet irgendwann ein Phasenübergang statt und du erhältst eine Flüssigkeit (auch bei hohen Temperaturen). Eine Flüssigkeit ist jedoch grundsätzlich nicht weiter komprimierbar - das hat nichts mit der Anomalie des Wasserst zu tun. Genausso verhält es sich mit Festkörpern bzw. Metallen (Beim Schmieden findet nur eine extrem geringe Verdichtung des Materials statt). Wenn das Objekt also aus Wasserstoff bestünde, dann bleibt wohl nur metallischer Wasserstoff.

Ich habe zu dem metallischen Wasserstoff leider keine Litertaur gefunden, in der etwas über dessen Dichte ausgesagt wird. Zu den vermuteten Eigenschaften: durch die hohe Kompression entsteht ein Festkörper mit Kristallgitterstruktur und "freien" Elektronen, d.h. in dieser Phase wäre Wasserstoff ein elektrischer Leiter.

Damit bleiben die folgenden Rätsel bestehen:
1) Wenn das Objekt aus Wasserstoff besteht, stellt sich die Frage, durch was wird (wurde) der hohe Druck verursacht, der zu der notwendigen extremen Komprimierung führte.
2) Wenn das Objekt aus "normalen" Metallen besteht, dann stellt sich die Frage, aus welchen und wie diese entstanden sind (dafür bräuchte man ebenfalls u.a. wieder extrem hohe Drücke)
3) Bei "normalen" Metallen wäre insbs. deren Synthese zu klären; die höchste Kernbindungsenergie findet man bei Eisen, das jedoch eine deutlich zu kleine Dichte aufweist. Es stellt sich die Frage, wie die schwereren Elemente in genügender Menge entstanden sein sollen.
4) Aufgrund der vergleichsweise geringen Masse des Objektes ist ein hoher Druck nicht erklärbar. Es stellt sich die Frage, wo die restliche Materie geblieben ist, die die starke Gravitationswechselwirkung für den notwendigen Druck hervorgebracht hat.
5) Alternativen zu Wasserstoff oder Metallen, wären exotische Materieformen; es gibt m.W.n. keine bekannte Materieform zwischen normaler Materie (da sind wir wieder bei 1 oder 2) und der Kernmaterie des Neutronensterns (letzterer hätte jedoch eine deutlich zu hohe Dichte). Daher meine Ideen zu exotischen Materieformen, wobei ich die Bedingungen für deren Synthese und Stabilisierung nicht erklären kann.
6) Sollte es sich um soetwas wie die Überreste eines kleinen braunen Zwerg handeln, dann bleiben die o.g. Fragen bestehen.

Habe ich da was Wesentliches übersehen?

[BauBraun]

Hallo Tom,

Du fragst ob Du was wesentliches übersehen hast, ich denke ja.

Also ich sehe das etwas gelassener, besonders das Wort 'Fakten'. Vielleicht kannst Du mir jetzt einfach mal gedanklich folgen:

- Das Teil ist 'ungefähr' so groß wie Jupiter

'Ungefähr'... Das heisst +25% im Durchmesser liegen locker innerhalb der Toleranz. Das sei meinetwegen die wirkliche Maximalgröße eines Gasplaneten. Wirklich wissen kann das heute noch niemand so richtig. Schau Dir mal an wie der angegebene Durchmesser des Pluto im Laufe der Jahre variiert hast... 100 Prozent? Und der Pluto ist 'gerade mal um die Ecke'.
Ups, +25% im Durchmesser, schon hat sich das Volumen verdoppelt.

- Dichte doppelt so groß wie Blei

Nun, zumindest laut Wikipedia könnte ja ein Super- Jupiter durchaus die 15- fache Jupiter- Masse haben. Selbst bei weniger als doppeltem Volumen sind wir ganz schnell wieder in diesen eher erwartbaren Bereichen.

-> Und schon sind wir bei einem maximalen Super-Jupiter. Nicht mehr, und nicht weniger. Was nichts daran ändert dass auch das schon reichlich exotisch ist.

Auch Größe und Masse des Mutter- Sterns sind ja nur Schätzungen, selbst wenn die ganzen Daten mit 16 Stellen nach den Komma ausgewiesen werden sind 30 %Toleranz möglich. Schau Dir alleine mal die Diskussionen über Messungenauigkeiten bei Entfernungsangaben an.

Und, das ist vielleicht der allerwichtigste Punkt: Mit dem Fund des zig-sten Riesenjupiters mit fünffacher Jupitermasse kann man keinen Hund mehr vom Ofen weglocken, das ist der Presse kaum noch eine Zeile wert. Corot hat seine Aufgabe erfüllt, das DLR hat etwas Extremes gefunden, und sind zu Recht in der Presse. Mit einer erstaunlichen Meldung die das Buget für solche Forschungen zu sichern mithilft. Jetzt gleich neue Elemente zu postulieren weil mal was nicht zusammenpasst, das ist mir doch etwas zu sportlich. In der Astronomie passt noch soooo vieles nicht zusammen. Und ohne Forschung und Forschungsgelder wirds auch nie passend.

Ich weiß, ist schon eine stocknüchterne Betrachtung, und Spekulieren macht ja auch viel mehr Spaß. Aber, was dabei herauskommt wenn man übertriebene Spekulationen auch noch für bare Münze nimmt sehen wir bei der aktuellen Bankenkrise.

Nette Grüße
Lothar

[tomS]

OK, du hast natürlich recht, wenn du die grundlegenden "Fakten", d.h. die Aussagen in dem Artikel in Zweifel ziehst bzw. kritisch hinterfragst. Über Messungenauigkeiten kann man leicht mal einen Faktor 2 oder sogar eine Zehnerpotenz rausholen. Dann ist man sicher in einem Bereich, wo man ohne spekulative Ideen zu einfachen Erklärungen kommt.

[gravi]

Vermutlich sind solche Messungen bestimmt mit einer gewissen Unsicherheit belastet. Doch werden die Autoren eine solche Entdeckung erst dann publizieren, wenn sie sich ziemlich sicher sein können. Wer will sich schon vor seinen Kollegen blamieren...

Bleibt es aber dabei - Jupitergröße und 20fache Masse, ist eine wirklich harte Nuss zu knacken. Die genannten Schwermetalle können durchaus in einer Supernova produziert werden, vielleicht auch in ausreichender Menge. Aber mir fällt kein Prozess ein, nach welchem sich diese in alle "Himmelsrichtungen" ausgestoßenen Elemente irgendwann in weiter Ferne wieder in einer Urnebelwolke zusammenfinden sollten und einen Planeten bilden.

Übrigens lassen sich Flüssigkeiten wie auch feste Körper "spielend leicht" und fast beliebig komprimieren. Fragt mal 'nen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch

Gruß
gravi

[tomS]

Ich glaube nicht, dass diese Elemente so leicht und in so großer Häufigkeit entstehen und stabil bleiben können. Wie soll man denn über Eisen hinauskommen? Danach werden die Elemente sehr selten.

Bzgl. der Komprimierbarkeit von Festkörpern: Der Neutronenstern ist ja ein Extrembeispiel. Was wir suchen ist ein Festkörper, der zwar deutlich dichter ist als Blei, der aber um viele Größenordnungen weniger dicht ist als die Kernmaterie in einem Neutronenstern. Dazwischen gibt es ja eine große Lücke - und in die kommst du so leicht nicht rein.

Das Problem ist, dass du bis zu einem gewissen Druck praktisch überhaupt keine höhere Dichte erreichst (Eisen bleibt da immer gleich dicht), und ab einem gewissen Druck einen Kollaps zum Neutronenstern auslöst. Da gibt es keinen fließenden Übergang. [/list]

[tomS]

Also, da hab ich mal wieder mächtig danebengelangt :-(

Natürlich gibt es eine Materieform zwischen der "normalen" Materie und den Neutronensternen, nämlich die weißen und schwarzen Zwerge. Auch hier handelt es sich um eine besondere Art der Materie mit bereits extrem hoher Dichte, nämlich ca. 10³ kg / cm³ im Gegensatz zu 10 g / cm³ bei normaler Materie.

D.h. meine Behauptung, es gäbe nichts zwischen "normaler" Materie und Neutronensternen, ist falsch.

Zur Frage der Komprimierbarkeit: ich bin mir auch nicht mehr sicher, ob es da wirklich zu einem Kollaps kommt, oder ob es quasi einen fließenden Übergang zwischen normaler Materie und weißen bzw. schwarze Zwergen gibt. Die Dichte der Zwerge ist sicherlich viel zu hoch für die Diskussion hier, aber evtl. existiert dazwischen doch ein erlaubter Dichtebereich.

Ich muss also nochmal nachforschen.

[Skeltek]

Hi Gravi,
danke fuer den Link. Die Frage war nur nicht, wie man so einen Planeten nachweisen kann, sondern, dass es fuer mich unverstaendlich ist, wie man seine genaue Masse durch Spektroskopie ermitteln kann, aber seine Zusammensetzung viel schwerer herauszubekommen sei.

Es gibt nicht viele Gasriesen, die sich so nahe an einem Gestirn bilden. Das ist eines der groesseren Raetsel, das sich bei der ganzen Sache ergeben hat.
Selbst eine leicht eliptische Bahn um den Zentralkoerper kann die Berechnung des gemeinsamen Massenschwerpunktes von Stern und Planet deutlich verfaelschen. Und ich glaube kaum dass man mehr als 8 oder mehr Sternumlaeufe (24 Erdtage) aufgewendet hat um festzustellen inwieweit der Orbit eliptisch ist.

Weiss zufaellig jemand welches Spektrum verwendet wird um die Differenz zwischen blau und rotverschiebung festzustellen? Wenns die Oberflaechentemperatur ist, die gemessen wird, wuerds mich nicht wundern, wenn durch den Eigenspin so nah am Zentralgestirn die Temperatur auf der Seite der Bahnrichtung sich deutlich von der Temperatur der `Abendseite` deutlich unterscheidet.

Gruesse Skel

[gravi]

Noch was zum Komprimieren von Materie:
Den Neutronenstern habe ich natürlich in Hinsicht auf dieses Thema hier nicht ernsthaft in Erwägung gezogen!

Weiße bzw. Schwarze Zwerge (letztere können noch gar nicht existieren, da sie noch nicht so weit abgekühlt sein können, dass sie unsichtbar wären) kommen sicherlich auch nicht in Betracht, sie wären 1. zu klein und 2. zu kompakt.

Ich löse das Rätsel:
Wir haben es mit einem Braunen Zwerg zu tun. Diese Körper beginnen ja ab etwa 13 Jupitermassen, das passt also. Vielleicht hat man sich nur beim Durchmesser vergaloppiert...

Gruß
gravi

[tomS]

Danke für die Auflösung - braune Zwerge benötigen wenigstens keine exotischen Erklärungen - kleine Korrektur an den Messergebnissen, und schon ist alles im Lot.

[gravi]

Ich weiß selbstverständlich keineswegs, ob ein Brauner Zwerg in Betracht kommt - das war einfach ein Schuss ins Blaue

Von der Masse könnte es zwar passen, jedoch nicht vom Durchmesser.
Weiß eigentlich jemand Näheres dazu, wie man den Durchmesser bei Exoplaneten bestimmt und wie verlässlich solche Angaben sind?
Das wäre sicher sehr hilfreich...

Gruß
gravi

[Skeltek]

Weiß eigentlich jemand Näheres dazu, wie man den Durchmesser bei Exoplaneten bestimmt und wie verlässlich solche Angaben sind?

Soweit ich gelesen habe wird gemessen, wie lange das Sonnenlicht verdeckt wird, wenn der Planet zwischen seinem Stern und Beobachtungsteleskop vobeizieht.
Das Gewicht ist meiner Meinung nach viel schwerer zu messen. Ich weiss nicht wie die das machen, aber wenn ich das Gewicht ermitteln wollte wuerde ich folgendermassen vorgehen:
Ich messe Rot und Blauverschiebung des Lichtes, wenn der Planet auf mich zufliegt und wieder weg.
Dasselbe bei der Sonne, die bewegt sich ja auch. Aus der Relation der beiden Frequenzverschiebungen laesst sich auf den Radius schliessen, den beide Koerper um den gemeinsamen Schwerpunkt haben, und daraus dann das Verhaeltniss der beiden Massen Stern zu Planet.

Bei der Frequenzaenderung des Sterns braucht man eine viel feinere Messmethode, da die Aenderung sehr klein ist. Weitere sehr schwere Planeten in der Naehe koennten das Ergebniss verfaelschen.
Beim Planeten ist die Frequenzaenderung leichter zu messen. gemessen wird vermutlich die thermische Abstrahlung des Kerns, da diese nicht vom `Wetter an der Oberflaeche` bzw morgendliche und abendliche Temperaturschwankungen abhaengig ist. Die Kerntemperatur kann bei einem nicht voellig runden Eisenkern auch von der momentanen Ausrichtung zum Magnetfeld des Zentralkoerpers abhaengen(Spekulation meinerseits), wie stark weiss ich jedoch nicht.

Gruesse, Skel

[gravi]

Ergibt nicht eher die Zeitdauer der Bedeckung die Umlaufgeschwindigkeit? Könnte ich mir jedenfalls vorstellen.

Das "Gewicht" - in der Physik haben wir diesen Ausdruck eigentlich begraben, wir sprechen nur von Masse, denn ein Gewicht ist die Aussage, wie stark eine bestimmte Masse von einer Gravitationswirkung angezogen wird - also die Masse bestimmt man aus der "Wackelbewegung", die der Stern ausübt. Planet und Stern rotieren ja um einen gemeinsamen Schwerpunkt, weshalb der Stern aus seiner Position abgelenkt wird. Aus dieser Ablenkung kann man auf die Masse schließen. Daher ist es auch so schwierig, kleinere Planeten zu entdecken.

Vielleicht kann man auf den Durchmesser schließen, wenn man die Sternhelligkeit misst und aus dem Grad der Verdunklung auf den Durchmesser schließt...???

Gruß
gravi