Rhythmisches Planetensystem aus sechs Exoplaneten stellt Theorien über Planetenentstehung in Frage

Künstlerische Darstellung des Planetensystems „TOI-178“ (Illu.). Copyright: ESO/L. Calçada/spaceengine.org
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Künstlerische Darstellung des Planetensystems „TOI-178“ (Illu.). Copyright: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Künstlerische Darstellung des Planetensystems „TOI-178“ (Illu.).
Copyright: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Genf (Schweiz) – Schweizer Astronomen haben ein Planetensystem entdeckt, in dem sechs Exoplaneten ihren Stern umkreisen – fünf davon in einem ungewöhnlichen Rhythmus. Die Forschenden sind überzeugt, dass das System wichtige Hinweise darauf liefern kann, wie Planeten, auch die unseres eigenen Sonnensystems, entstehen und sich entwickeln. Allerdings widerspricht der Ansatz bisherigen Theorien zur Planetenentstehung.

Wie das Team um Adrien Leleu von den Universitäten Genf und Bern im Fachjournal „Astronomy & Astrophysics“ (DOI: 10.1051/0004-6361/202039767) berichtet, findet sich das System „TOI-178“ etwa 200 Lichtjahre von der Sonne entfernt im Sternbild Sculptor. Nachdem erste Beobachtungen nahe legten, man habe zwei Planeten entdeckt, die ihren Stern auf der gleichen Bahn umkreisen, zeigten weitere Beobachtungen, dass es sich in Wirklichkeit nicht nur um zwei Planeten handelt, die den Stern in etwa gleichem Abstand umkreisen, sondern um mehrere Planeten in einer ganz speziellen Konfiguration.

Die Beobachtungen zeigen, dass das System aus insgesamt sechs Planeten besteht, die alle außer dem innersten auf ihren Umlaufbahnen in einem rhythmischen Tanz gefangen sind – ihren Stern also in sogenannter Resonanz umkreisen. „Das bedeutet, dass es Muster gibt, das sich wiederholt, während die Planeten um den Stern kreisen, wobei sich einige Planeten alle paar Umläufe aneinander ausrichten“, erläutert die Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte (ESO), mit deren Teleskopen die Entdeckung u. a. gelang. „Eine ähnliche Resonanz wird auch bei den Bahnen von drei Jupitermonden beobachtet: Io, Europa und Ganymed. Io, der dem Jupiter am nächsten gelegene der drei Monde absolviert für jeden Orbit, den der am weitesten entfernte Ganymed macht, vier volle Umläufe um Jupiter und für jeden Orbit, den Europa macht, zwei volle Umläufe.“

Wie die Astronomen und Astronominnen weiterhin erläutern, folgen die fünf äußeren Exoplaneten des TOI-178-Systems allerdings einer viel komplexeren Resonanzkette, einer der längsten, die bisher in einem Planetensystem entdeckt wurde: „Während sich die drei Jupitermonde in einer 4:2:1-Resonanz befinden, folgen die fünf äußeren Planeten des TOI-178-Systems einer 18:9:6:4:3-Kette: Während der vom Stern aus gesehen zweite Planet (der erste in der Resonanzkette) 18 Umläufe vollzieht, absolviert der vom Stern aus gesehen dritte Planet (der zweite in der Kette) 9 Umläufe usw.“

Tatsächlich fanden die Wissenschaftler zunächst nur fünf Planeten in dem System, aber indem sie diesem Resonanzrhythmus folgten, berechneten sie, wo sich ein zusätzlicher Planet in seiner Umlaufbahn befinden würde, wenn sie das nächste Mal ein Zeitfenster zur Beobachtung des Systems hätten.

„Dieser Tanz der resonierenden Planeten ist mehr als nur eine Bahnkuriosität, er liefert Hinweise auf die Vergangenheit des Systems“, so Yann Alibert von der Universität Bern und einer der Mitautoren der Studie. „Die Bahnen in diesem System sind sehr gut geordnet, was uns sagt, dass sich dieses System seit seiner Geburt recht sanft entwickelt hat.“ Wäre das System früher erheblich gestört worden, zum Beispiel durch einen gewaltigen Einschlag, hätte diese fragile Konfiguration der Bahnen nicht überdauert.

Während aber die Bahnkonfiguration sauber und geordnet ist, sind die Dichten der Planeten „viel ungeordneter“, sagt Nathan Hara von der Universität Genf, Schweiz, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Es scheint, dass es einen Planeten gibt, der so dicht ist wie die Erde, direkt neben einem sehr leichten Planeten mit der Hälfte der Dichte des Neptuns, gefolgt von einem Planeten mit der Dichte des Neptuns. Das ist nicht das, was wir gewohnt sind.“ Zum Vergleich sind in unserem Sonnensystem die Planeten fein säuberlich angeordnet, mit den dichteren Gesteinsplaneten näher am Zentralgestirn und den lockerer strukturierten Gasplaneten mit geringer Dichte weiter draußen.

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„Dieser Kontrast zwischen der rhythmischen Harmonie der Orbitalbewegung und den ungeordneten Dichten stellt unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen sicherlich in Frage“, betont Leleu.

Durch die Kombination verschiedener Beobachtungstechniken konnten die Astronomen wichtige Informationen über das System und seine Planeten gewinnen, die ihren Zentralstern viel näher und viel schneller umkreisen als die Erde die Sonne. „Der schnellste (der innerste Planet) vollendet eine Umlaufbahn in nur ein paar Tagen, während der langsamste etwa zehnmal so lange braucht. Die sechs Planeten sind etwa ein- bis dreimal so groß wie die Erde, während ihre Masse das 1,5- bis 30-fache der Erdmasse beträgt. Einige der Planeten bestehen aus Gestein, sind aber größer als die Erde und werden als Super-Erden bezeichnet. Andere sind Gasplaneten, wie die äußeren Planeten in unserem Sonnensystem, allerdings sind sie viel kleiner und werden Mini-Neptune genannt.“

Obwohl keiner der sechs Planeten in der lebensfreundlichen Zone des Sterns liegt, vermuten die Forscher, dass sie durch die Weiterverfolgung der Resonanzkette weitere Planeten finden könnten, die in oder sehr nahe an dieser „grünen Zone“ existieren könnten, innerhalb derer aufgrund gemäßigter Temperaturen flüssiges Wasser – und damit die Grundlage zumindest des irdischen Lebens – existieren könnte.

Beobachtungen mit der nächsten Teleskopen-Generation, etwa mit dem Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll, werden in der Lage sein, Gesteinsplaneten in der bewohnbaren Zone eines Sterns direkt abzubilden und sogar ihre Atmosphären zu charakterisieren. Auf diese Weise, so erhoffen sich die Autoren schon jetzt, werden dann auch Systeme wie TOI-178 noch detaillierter erforscht werden können.




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Quelle: ESO

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