Exoplaneten mit ungewöhnlichen Umlaufbahnen

Die aktuellen Untersuchungen der Umlaufbahnen mehrerer Exoplaneten bringt die bisher gängige Theorie zur Entstehung von Planetensystemen ins Wanken.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO, Wikipedia. Vertont von Peter Rittinger.

Planeten, so die allgemein anerkannte Theorie, bilden sich innerhalb von Gas- und Staubscheiben, welche gerade erst entstandene Sterne in deren Äquatorebene umgeben. Solche sogenannten protoplanetaren Scheiben und ihr jeweiliger Zentralstern rotieren gemeinsam um ein und dieselbe Drehachse, welche wiederum senkrecht zu der protoplanetaren Scheibe ausgerichtet ist. Aufgrund dieser Annahme muss man davon ausgehen, dass sich die Planeten, welche sich innerhalb dieser Scheibe bilden, anschließend auch in der Ebene dieser Scheibe um den Zentralstern bewegen. Der Verlauf eines Planetenorbits sollte dabei identisch mit der Umlaufebene und der Rotationsrichtung des Zentralstern sein. Genau dies ist zum Beispiel auch bei den acht Planeten unseres Sonnensystems und den meisten der bisher 452 entdeckten Exoplaneten (so der aktuelle Stand von heute), also Planeten, welche nicht unserem Sonnensystem angehören, der Fall.

Neue Forschungsergebnisse bringen diese Theorie jetzt jedoch ins Wanken. Auf dem gerade in Glasgow/Schottland stattfindenden “National Astronomy Meeting” der britischen Royal Astronomical Society wurde die Entdeckung von weiteren neun Exoplaneten bekanntgegeben. Bei diesen Neuentdeckungen handelt es sich durchweg um sogenannte Transitplaneten, welche von der Erde aus gesehen in regelmäßigen Zeitabständen vor ihrem jeweiligen Zentralstern vorbeilaufen und dessen Helligkeit dabei kurzfristig abdunkeln. Die eingehendere Untersuchung dieser neuen Planeten und weiterer 18 Transitplaneten brachte ein überraschendes Ergebnis zutage. Sechs der untersuchten Planeten umrunden ihren Mutterstern nicht in derselben Richtung, in der sich der Stern um seine eigene Achse dreht, sondern vielmehr in einer entgegengesetzten Richtung. Diese Erkenntnis stellt die bisher gebräuchlichen Theorien der Planetenentstehung in Frage. “Auf dem Gebiet der Erforschung extrasolarer Planeten werden unsere Ergebnisse wie eine Bombe einschlagen”, so Amaury Triaud, ein Doktorand des Observatoriums in Genf, welcher zusammen mit Andrew Cameron und Didier Queloz einen maßgeblichen Teil der Beobachtungskampagne leitete, die zu den neuen Erkenntnissen führte.

Nach der Entdeckung der neun neuen Exoplaneten im Rahmen des Projektes “Wide Angle Search for Planets” (WASP) nutzte das Astronomenteam routinemäßig den HARPS-Spektrografen am 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) am La-Silla-Observatorium in Chile, um die neuen Planeten durch weitere Beobachtungen zu bestätigen. Zur Bestätigung neu entdeckter Transitplaneten und zwecks der Bestimmung von deren Eigenschaften und Orbitdaten werden diese mit der Radialgeschwindigkeitsmethode nachbeobachtet. Im Rahmen dieser Beobachtungen wird vermessen, wie sich der Zentralstern beim Umlauf von Stern und Planet um deren gemeinsamen Schwerpunkt bewegt. Zusätzlich wird dabei die Neigung der Planetenbahnen relativ zum Äquator des Sterns gemessen. Mit den dabei gewonnenen Daten und ergänzenden Beobachtungen des CORALIE-Spektrografen am Leonard-Euler-Teleskop, welches sich ebenfalls am La-Silla-Observatorium befindet, analysierten die Astronomen anschließend die Eigenschaften dieser neu entdeckten sowie weiterer 18 Transitplaneten, welche bereits durch vorangegangene Beobachtungen bekannt waren. Die beiden robotisch betriebenen Faulkes-Teleskope des Las Cumbres Observatory Global Telescope Network auf Hawaii und in Australien haben zu diesen Analysen weitere Helligkeitsmessungen beigesteuert, mit denen man die Größe der Planeten ermitteln konnte.

Bei der Auswertung der Beobachtungsdaten stellten die beteiligten Astronomen zu ihrer Überraschung fest, dass bei mehr als der Hälfte der 27 untersuchten Planeten zumindestens deren Umlaufbahn deutlich gegen die Drehachse des Zentralsterns gekippt ist. Sechs der im Rahmen dieser erweiterten Studie untersuchten Exoplaneten, zwei davon gehören übrigens zu den verkündeten Neuentdeckungen, zeigen dabei relativ zu ihrem jeweiligen Mutterstern sogar eine rückläufige Bewegung. Sie umlaufen ihren Stern also auf einem sogenannten retrograden Orbit. “Diese neuen Ergebnisse widersprechen der bisher gängigen Vorstellung, dass Planeten ihren Mutterstern immer in derselben Richtung umlaufen sollten, in welcher der Stern um sich selbst rotiert”, so Andrew Cameron von der University of St. Andrews in Schottland, der die neuen Forschungsergebnisse Anfang dieser Woche auf dem “National Astronomy Meeting” in Glasgow vorgestellt hat.

Die im Rahmen der Studie untersuchten Exoplaneten gehören alle der Klasse der sogenannten “Hot Jupiters” an. Hierbei handelt es sich um Gasplaneten, welche ähnlich große oder noch größere Massen wie der Planet Jupiter in unserem Sonnensystem aufweisen und ihren Zentralstern in einem sehr engen Orbit umkreisen. Ihre Umlaufbahnen liegen dabei sehr viel näher an ihrem Mutterstern als die Bahnen der Planeten in unserem Sonnensystem. Diese engen Orbitbahnen mit Umlaufzeiten von teilweise nur wenigen Tagen haben zur Folge, dass die Planeten durch die Einstrahlung ihrer Zentralsterne sehr stark aufgeheizt werden und Temperaturen von mehreren 100 Grad Celsius erreichen können.

Durch die relativ große Masse und die unmittelbare Nähe zum jeweiligen Stern erzeugt die Schwerkraft eines Hot Jupiters größere messbare gravitative Effekte am Mutterstern, so dass Hot Jupiters leichter zu entdecken sind als Planeten mit Massen und Umlaufbahnen, wie sie uns aus unserem Sonnensystem geläufig sind. Hinzu kommt auch, dass die Wahrscheinlichkeit zur Beobachtung eines Planetentransits für diese Gasriesen aufgrund des minimalen Sonnenabstandes ebenfalls größer ist. Es ist daher eigentlich auch nicht weiter verwunderlich, dass ein Großteil der zuerst entdeckten Exoplaneten dieser Planeten-Klasse entstammt.

Ein weit größeres Rätselraten verursachte dagegen die Frage, warum solche Planeten überhaupt existieren können und wie sie entstehen. Man vermutet mittlerweile, dass sich zuerst der Kern eines solchen Gasriesen aus einer Mischung aus Gesteins-, Metall- und Eispartikeln bildet. Sobald der Kern dabei über eine Masse von etwa 10 bis 15 Erdmassen verfügt, so ein rechnerisches Modell von Viktor S. Safronov, wird das ebenfalls in der protoplanetaren Scheibe enthaltene Gas vom Kern des neu entstehenden Planeten angezogen und bildet anschließend dessen Gashülle. Solche Gaspartikel befinden sich in der Entstehungsphase eines Sternsystems allerdings nur in dessen relativ kalten Außenbereichen. Nach dieser von vielen Astronomen vertretenen gängigen Theorie zur Entstehung von Gasplaneten entstehen die Hot Jupiters daher ursprünglich weit entfernt von ihrem Stern in den Außenbezirken des jeweiligen Sonnensystems und wandern erst anschließend in den inneren Bereich, wo sie dann ihre endgültigen Umlaufbahnen nahe am Zentralstern einnehmen.

Im üblichen Modell wird diese Wanderung durch gravitationsbedingte Wechselwirkungen mit der protoplanetaren Scheibe hervorgerufen, aus welcher sich der Planet gebildet hat. Bei diesem Szenario dauert die Wanderung einige wenige Millionen Jahre und die Umlaufbahnen der Planeten werden dabei entlang der Äquatorebene und in der Rotationsrichtung des Sterns ausgerichtet. Dieses bisher allgemein anerkannte Modell ist allerdings mit den neuen Beobachtungsdaten nicht mehr zu vereinbaren. Weder die aktuell beobachteten stark geneigte Umlaufbahnen noch die rückläufigen Orbits können damit erklärt werden.

Um auch die neu beobachteten rückläufigen Exoplaneten in diese Wanderungstheorie einbinden zu können, so das Astronomenteam um Andrew Cameron, muss man vielmehr davon ausgehen, dass die Nähe der Hot Jupiters zu ihren Zentralsternen nicht durch Wechselwirkungen mit der Staubscheibe zustande kommt. Nach einer alternativen Theorie käme als zugrundeliegender Mechanismus ein bedeutend langsamer ablaufender Prozess in Frage. Hierbei würde über einen Zeitraum von mehreren 100 Millionen Jahren eine Art “gravitatives Tauziehen” zwischen dem zukünftigen Hot Jupiter und weiter außen gelegenen und dabei auch entsprechend massereichen planetaren oder stellaren Begleitern des Muttersterns stattfinden.

Nachdem solche gravitativen Störungen einen Exoplaneten zunächst auf eine gegenüber der Bahnebene geneigte und stark exzentrische, also langgestreckte Umlaufbahn befördert haben, würde dieser anschließend durch sogenannte Gezeitenreibungen bei jeder nahen Begegnung mit dem Zentralstern einen Teil seiner eigenen Bewegungsenergie verlieren. Schließlich würde der neue Hot Jupiter eine beinahe kreisförmige, aber dabei auch willkürlich gegenüber der Hauptebene des Planetensystems geneigte Umlaufbahn in unmittelbarer Nähe zu seinem Zentralstern einnehmen. Bei zwei der neu entdeckten Exoplaneten mit retrograden Umlaufbahnen hat man auch tatsächlich zusätzliche, weiter entfernte Begleiter gefunden, welche laut dieser Theorie für die ungewöhnliche Orientierung der Umlaufbahnen verantwortlich sein könnten. Nun wollen die Wissenschaftler auch in den anderen zuvor untersuchten Planetensystemen nach Planeten suchen, welche ihre jeweiligen Muttersterne in größeren Abständen umkreisen.

“Ein dramatischer Nebeneffekt dieses Prozesses wäre, dass sich in derartigen Systemen keine kleineren erdähnlichen Planeten halten könnten”, so Didier Queloz vom Observatorium in Genf. Der Grund hierfür ist, dass durch die Wanderung des relativ massereichen zukünftigen Hot Jupiters von außen nach innen die Umlaufbahnen eventuell vorhandener kleinerer Planeten im inneren Bereich des Sonnensystems nachhaltig gestört werden würden. Die gravitativen Einflüsse eines so massereichen Planeten würde auf Dauer für kleinere Planeten keinen stabilen Orbit ermöglichen.

Zu den hier kurz vorgestellten Forschungsergebnissen werden in nächster Zeit insgesamt neun Fachartikel erscheinen, welche bei verschiedenen internationalen Fachzeitschriften eingereicht wurden. Vier der Artikel basieren dabei auf Daten, welche von Einrichtungen der ESO gewonnen wurden.

Außerdem wurde dem WASP-Konsortium der diesjährige “Royal Astronomical Society Group Achievement Award” verliehen. Das “Wide Angle Search for Planets”-Projekt arbeitet mit zwei robotisch betriebenen Beobachtungsstationen, an denen jeweils acht Weitwinkelkameras gleichzeitig einen Großteil des Himmels überwachen und dabei nach Transitereignissen von Exoplaneten suchen. Ein solcher Planetentransit tritt ein, wenn ein Exoplanet auf seiner Umlaufbahn von der Erde aus gesehen vor seinem Zentralstern vorbeiläuft und dabei einen allerdings nur minimalen Teil des abgestrahlten Sternenlichts abschirmt. Diese Lichtabschwächung bewirkt eine kurzfristige Änderung der scheinbaren Helligkeit des Sterns, welche dann von den WASP-Kameras registriert wird. Mit diesen lassen sich die Helligkeitsschwankungen von mehreren Millionen Sternen gleichzeitig messen, um so nach den seltenen Planetentransits zu suchen. Die WASP-Kameras werden von einem Konsortium betrieben, zu dem unter anderem die Queen’s University im nordirischen Belfast, die Universitäten von Keele, Leicester und St. Andrews, die Open University, die Isaac Newton Group auf La Palma und das Instituto de Astrofisica de Canarias gehören.

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