Das Ziel: ein besseres Verständnis der Entwicklungs- und Entstehungsmechanismen von Planetensystemen. Diese Zusammenarbeit, genannt ATREIDES, präsentiert ihre ersten Ergebnisse mit der Beobachtung des Planetensystems TOI-421. Die Analyse dieses Systems zeigt eine erstaunlich geneigte Orbitarchitektur und bietet einen neuen Einblick in die chaotische Geschichte dieser fernen Welten. Diese einleitende Studie wird in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
Künstlerische Darstellung. © Elsa Bersier - CFPArts / ESBDi Genf
Welche physikalischen Mechanismen bestimmen die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen? Um diese umfassende Frage zu beantworten, hat sich eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung der Astronomieabteilung der UNIGE entschieden, sich auf eine bestimmte Art von Exoplaneten zu konzentrieren: die Exo-Neptune, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, die etwa zwanzigmal massereicher als die Erde sind.
Das Verständnis der Mechanismen, die die Wüste der heißen Neptune, die Savanne und den Kamm formen, wird helfen, die Planetenentstehung als Ganzes besser zu begreifen.
Im letzten Jahrzehnt haben Wissenschaftler bedeutende Entdeckungen bezüglich der Verteilung von Exoplaneten gemacht. Sie haben festgestellt, dass in den Regionen sehr nahe an den Sternen die Exo-Neptune fehlen. Im Gegensatz dazu zeigen neuere Studien, an denen die UNIGE beteiligt war, dass in etwas weiter von den Sternen entfernten Zonen – einer gemäßigteren Region in der Verteilung der Exoplaneten, die "Savanne" genannt wird – diese Art von Planeten häufiger vorkommt. Und dass es zwischen dieser Savanne und der Wüste eine Region namens "neptunischer Kamm" gibt, in der sie sogar im Überfluss im Vergleich zu den beiden anderen Regionen vorhanden sind.
"Die Komplexität der exo-neptunischen Landschaft ist ein echtes Fenster zu den Prozessen der Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen. Das hat die ehrgeizige wissenschaftliche Kooperation ATREIDES motiviert, die sich insbesondere auf ein umfangreiches Beobachtungsprogramm stützt, das wir an den größten europäischen Teleskopen – den VLT der ESO – mit dem weltweit präzisesten Spektrographen, ESPRESSO, durchführen", erläutert Vincent Bourrier, Lehr- und Forschungsbeauftragter in der Astronomieabteilung der Fakultät für Wissenschaften der UNIGE, Hauptuntersucher des ATREIDES-Programms und Erstautor der einleitenden Studie.
Dieses Diagramm ordnet die Exoplaneten nach ihrer Größe und ihrem Abstand zu ihrem Stern. Jeder Punkt repräsentiert einen Exoplaneten. Planeten von der Größe des Jupiter (oben im Diagramm) und Planeten von der Größe der Erde und Super-Erden (unten) finden sich sowohl nahe als auch weit entfernt von ihrem Stern. Aber Planeten von der Größe des Neptun (in der Mitte), die nahe an ihrem Stern sind, sind selten.
Diese sogenannte Wüste der heißen Neptune zeigt, dass solche außerirdischen Welten selten sind, oder dass sie zu einer bestimmten Zeit häufig waren, aber seitdem verschwunden sind. Rot markiert ist GJ3470b, ein heißer Neptun an der Grenze der Wüste.
Die Eroberung der "Wüste"
Das ATREIDES-Programm konzentriert sich somit auf die Exo-Neptune, um die Prozesse zu identifizieren, die für den Kamm, die Savanne und die Wüste verantwortlich sind, und daraus allgemeinere Informationen über die Entstehung und Entwicklung von Planeten abzuleiten. Die Wissenschaftler planen einerseits die Beobachtung einer großen Anzahl von Neptunen mit ESPRESSO und andererseits die Analyse und Modellierung der Daten aller Planeten in einem einheitlichen und konsistenten Rahmen. Dieser systematische Ansatz soll einen echten Vergleich zwischen den verschiedenen Planetensystemen und ein besseres Verständnis der Mechanismen ermöglichen, die diese komplexe neptunische Landschaft formen.
Als offene und internationale Gemeinschaftsinitiative konzipiert, lädt die ATREIDES-Kollaboration alle interessierten Astronomen ein, sich diesem wissenschaftlichen Bestreben anzuschließen, ähnlich wie die Universität Warwick. "Wir nutzen die NGTS-Teleskope, ein Programm zur Beobachtung von Exoplaneten mittels der Transitmethode, um den Transit dieser Neptune zu beobachten und so unsere Nutzung von ESPRESSO/VLT zu optimieren. Wir können dann viel präzisere Messungen erhalten oder auch Prozesse identifizieren, wie zum Beispiel stellare Eruptionen, die die ESPRESSO-Daten beeinflussen könnten", gibt Daniel Bayliss, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik der Universität Warwick, an.
TOI-421: eine "fehlausgerichtete" Orbitarchitektur
Das erste im Rahmen von ATREIDES beobachtete und analysierte System heißt TOI-421. Es besitzt zwei Planeten: einen heißen Neptun TOI-421 c, der sich in der Savanne befindet, und einen kleineren, dem Stern näheren Planeten, TOI-421 b. Die Astronomen konnten die chaotische Geschichte dieses Systems nachvollziehen.
Eine der Hypothesen des ATREIDES-Programms besagt, dass die neptunische Landschaft durch die Art und Weise geprägt wurde, wie diese Planeten von ihrem Geburtsort zu ihren heutigen Umlaufbahnen migriert sind. Einige Planeten würden sanft und früh durch die Gaswolke, in der sie entstanden sind, wandern – ein Prozess, der ausgerichtete Umlaufbahnen hervorbringen sollte. Andere würden gewaltsam viel später auf ihre Umlaufbahnen geschleudert, durch einen chaotischen Prozess namens "Migration mit hoher Exzentrizität", der zu stark fehlausgerichteten Umlaufbahnen führt.
Eine der Schlüsselvariablen dieser Hypothese ist daher die Ausrichtung zwischen der Äquatorebene des Sterns und der Orbitalebene jedes Planeten. Durch die Messung dieser Ausrichtung für TOI-421 konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die beiden Planeten des Systems stark fehlausgerichtet sind, was sich sehr von unserem Sonnensystem unterscheidet, wo die Planeten ausgerichtet sind und sich daher fast in der Äquatorebene unserer Sonne drehen. Dies deutet auf eine bewegte Geschichte während der Entwicklung des Systems TOI-421 nach seiner Entstehung hin.
Die Analyse von TOI-421 ist nur ein Vorgeschmack auf die kommende Ernte. Sie liefert den Wissenschaftlern wertvolle Informationen, ermöglicht aber auch und vor allem die Verbesserung der in der ATREIDES-Kollaboration entwickelten Analyse- und Modellierungswerkzeuge. Eine große Anzahl von Planetensystemen, die Exo-Neptune beherbergen, muss jedoch mit derselben Strenge beobachtet und analysiert werden, bevor die großen Linien gezeichnet werden können, die das Verständnis der Entwicklung und Entstehung von Planetensystemen ermöglichen.
"Die Mechanismen, die die Wüste der heißen Neptune, die Savanne und den Kamm formen, gut zu verstehen, wird es ermöglichen, die Planetenentstehung als Ganzes besser zu begreifen... aber es ist sehr wahrscheinlich, dass das Universum uns weitere Überraschungen bereithält, die uns zwingen werden, neue Theorien zu entwickeln", schließt Vincent Bourrier.