Diese Künstlerdarstellung zeigt die Sicht auf den am weitesten von der Sonne entfernten Planeten des TOI-178-Systems. Neue Forschungen von Adrien Leleu und seinen Kollegen mit mehreren Teleskopen, darunter das Very Large Telescope der ESO, haben gezeigt, dass dieses resonante System sechs Exoplaneten umfasst und dass sich alle, mit Ausnahme des sonnennächsten Planeten, in einer ganz besonderen Bahn bewegen.
© ESO/L. Calçada/spaceengine.org
Liegt dies an einem Beobachtungsvorteil oder an der physischen Existenz zweier unterschiedlicher Populationen von Unter-Neptunen? Jüngste Untersuchungen des PRN PlanetS, der Universität Genf (UNIGE) und der Universität Bern (UNIBE) unterstützen die zweite Hypothese. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
Exoplaneten sind in unserer Galaxie reichlich vorhanden. Die häufigsten sind solche mit einem Radius zwischen dem der Erde (etwa 6400 km) und dem des Neptuns (etwa 25.000 km), sogenannte „Unter-Neptune“. Es wird geschätzt, dass 30 % bis 50 % der sonnenähnlichen Sterne mindestens einen beherbergen.
Die Berechnung der Dichte dieser Planeten stellt Wissenschaftler vor ein Problem. Um sie abzuschätzen, muss zunächst ihre Masse und ihr Radius gemessen werden. Problem: Die Planeten, deren Masse mittels der TTV-Methode (Transit-Timing Variation) gemessen wird, sind weniger dicht als die Planeten, deren Masse anhand der Radialgeschwindigkeitsmethode gemessen wurde, der anderen möglichen Messmethode.
„Die TTV-Methode besteht darin, Variationen der Transitzeitmessung zu messen. Die gravitativen Wechselwirkungen zwischen den Planeten eines Systems beeinflussen den Zeitpunkt, zu dem die Planeten vor ihrem Stern vorbeiziehen“, erklärt Jean-Baptiste Delisle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Astronomieinstitut der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Co-Autor der Studie. „Die Radialgeschwindigkeitsmethode besteht dagegen darin, die Geschwindigkeitsänderungen des Sterns zu messen, die durch das Vorhandensein des Planeten um ihn herum verursacht werden“.
Jegliche Verzerrung ausschließen
Ein internationales Astronomenteam, angeführt von Wissenschaftlern des PRN PlanetS, der UNIGE und der UNIBE, hat eine Studie veröffentlicht, die dieses Phänomen erklärt. Es ist nicht auf Auswahl- oder Beobachtungsvorteile zurückzuführen, sondern auf physikalische Gründe. „Die meisten Systeme, die mit der TTV-Methode gemessen werden, befinden sich in Resonanz“, erklärt Adrien Leleu, Assistenzprofessor am Astronomieinstitut der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Hauptautor der Studie.
Zwei Planeten sind in Resonanz, wenn das Verhältnis ihrer Umlaufzeiten eine rationale Zahl ist. Beispielsweise führt ein Planet genau zwei Umläufe um seinen Stern aus, während ein anderer genau einen vollendet. Wenn mehrere Planeten in Resonanz sind, spricht man von einer Laplace-Resonanzkette. „Wir haben uns also gefragt, ob es eine intrinsische Verbindung zwischen der Dichte und der resonanten Orbitalstruktur eines Planetensystems gibt“, fährt der Forscher fort.
Um den Zusammenhang zwischen Dichte und Resonanz herzustellen, mussten die Astronomen zunächst alle Verzerrungen in den Daten beseitigen, indem sie die Planetensysteme für ihre statistische Analyse strikt auswählten. Beispielsweise benötigt ein großer, massearmer Planet, der im Transit entdeckt wird, mehr Zeit, um mit Radialgeschwindigkeiten entdeckt zu werden. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Beobachtungen unterbrochen werden, bevor der Planet in den Radialgeschwindigkeitsdaten sichtbar wird und somit seine Masse geschätzt werden kann.
„Dieser Auswahlprozess würde zu einer Verzerrung in der Literatur zugunsten höherer Massen und Dichten für die Planeten führen, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode charakterisiert werden. Ohne Massebestimmungen würden die weniger dichten tatsächlich aus unseren Analysen ausgeschlossen“, erklärt Adrien Leleu.
Nach dieser Bereinigung konnten die Astronomen mittels statistischer Tests feststellen, dass die Dichte der Unter-Neptune in resonanten Systemen geringer ist als die ihrer Gegenstücke in nicht-resonanten Systemen, unabhängig von der Methode zur Bestimmung ihrer Masse.
Eine Frage der „Resonanz“
Die Wissenschaftler haben mehrere Ansätze zur Erklärung dieses Zusammenhangs untersucht, insbesondere die Bildungsprozesse der Planetensysteme. Der von der Studie bevorzugte Ansatz besagt, dass alle Planetensysteme in den ersten Momenten ihrer Existenz zu einem Zustand einer Resonanzkette konvergieren, aber nur 5 % stabil bleiben. Die anderen 95 % werden instabil. Die Resonanzkette bricht zusammen und verursacht eine Reihe von „Katastrophen“, wie Kollisionen zwischen Planeten. Die Planeten verschmelzen miteinander, erhöhen so ihre Dichte und stabilisieren sich dann auf nicht-resonanten Bahnen.
Dieser Prozess erzeugt somit zwei deutlich unterschiedliche Populationen von Unter-Neptunen, die dichten und die weniger dichten. „Die numerischen Modelle zur Bildung und Entwicklung von Planetensystemen, die wir in den letzten zwei Jahrzehnten in Bern entwickelt haben, reproduzieren genau diesen Trend: Planeten in Resonanz sind weniger dicht. Diese Studie bestätigt außerdem, dass die meisten Planetensysteme Schauplatz von Riesen-Kollisionen waren, ähnlich oder noch heftiger als jene, die unseren Mond hervorgebracht hat“, schließt Yann Alibert, Professor an der Abteilung für Weltraumforschung und Planetare Wissenschaften (WP) und Co-Direktor des Zentrums für Weltraum und Lebensraum der UNIBE, Co-Autor der Studie.