Trümmerscheiben könnten die Präsenz von Riesenplaneten anzeigen

Künstlerische Darstellung eines Riesenplaneten, dessen Gravitationskräfte kleinere Himmelskörper in einer Staub- und Trümmerscheibe zur Kollision bringen. (Credits: NASA / JPL-Caltech)
Künstlerische Darstellung eines Riesenplaneten, dessen Gravitationskräfte kleinere Himmelskörper in einer Staub- und Trümmerscheibe zur Kollision bringen. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Es gibt keine Karte, die all die Milliarden Exoplaneten in unserer Galaxie zeigt – sie sind so weit entfernt und verglichen mit ihren Sternen so schwach, dass es schwierig ist, sie zu entdecken. Jetzt haben Astronomen auf der Suche nach Exoplaneten einen möglichen Hinweisgeber für Riesenplaneten gefunden.

Eine neue Studie ergab, dass riesige Exoplaneten, die ihre Sterne in großen Distanzen umkreisen, mit höherer Wahrscheinlichkeit um junge Sterne mit einer Staub- und Trümmerscheibe gefunden werden, anstatt um jene ohne solche Scheiben. Die Studie, veröffentlicht im Astronomical Journal konzentrierte sich auf Planeten mit mehr als fünf Jupitermassen. Dies ist die bislang umfangreichste Untersuchung von Sternen mit Staub- und Trümmerscheiben, und sie erbrachte den bisher besten Beleg dafür, dass Riesenplaneten für die Gestaltung des Materials verantwortlich sind.

"Unsere Forschungsarbeit ist wichtig dafür, wie zukünftige Missionen planen werden, welche Sterne sie beobachten wollen", sagte Tiffany Meshkat, Hauptautorin und Wissenschaftlerin am IPAC/Caltech in Pasadena (Kalifornien). Meshkat arbeitete für diese Studie als Postdoktorandin am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena. "Viele Planeten, die durch direkte Nachweise gefunden wurden, befinden sich in Systemen, die Trümmerscheiben besitzen. Und jetzt wissen wir, dass der Staub ein Indikator für unentdeckte Welten sein könnte."

Die Astronomen stellten fest, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auffinden langperiodischer Riesenplaneten bei Sternen mit Trümmerscheiben neunmal größer ist als bei Sternen, die keine Trümmerscheibe besitzen. Die Doktorandin Marta Bryan vom Caltech führte die statistische Analyse durch, die zu diesem Ergebnis gelangte.

Die Forscher kombinierten Daten von 130 Einzelsternsystemen mit Trümmerscheiben, die vom NASA-Weltraumteleskop Spitzer registriert wurden, und verglichen sie mit 277 Sternen, die keine Scheibe zu besitzen schienen. Die beiden Sterngruppen waren zwischen ein paar Millionen und einer Milliarde Jahre alt. Von den 130 Sternen wurden 100 bereits zuvor nach Hinweisen auf Exoplaneten untersucht worden.

Als Teil dieser Studie führten die Forscher Nachfolgebeobachtungen an den 30 restlichen Sternen durch, wofür sie das W. M. Keck Observatory auf Hawaii und das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile nutzten. Sie registrierten keine neuen Planeten in diesen 30 Systemen, aber die zusätzlichen Daten halfen dabei, die Häufigkeit von Planeten in Systemen mit Scheiben einzuordnen.

Die Arbeit löst nicht direkt die Frage, warum die Riesenplaneten die Entstehung von Trümmerscheiben verursachen. Die Autoren vermuten, dass die starken Gravitationskräfte der Riesenplaneten kleine Himmelskörper, sogenannte Planetesimale, kollidieren lassen. Dadurch fügen sich die Planetesimale nicht zu richtigen Planeten zusammen und bleiben als Teil einer Scheibe in der Umlaufbahn.

"Möglicherweise finden wir keine kleinen Planeten in diesen Systemen, weil diese massereichen Himmelskörper schon früh die Bausteine von Gesteinsplaneten zerstörten, indem sie sie mit hohen Geschwindigkeiten kollidieren ließen, anstatt sie langsam aneinanderzufügen", sagte der Co-Autor Dimitri Mawet, Professor für Astronomie am Caltech und JPL-Seniorforscher. Andererseits sind Riesenplaneten leichter nachzuweisen als Gesteinsplaneten, und es ist möglich, dass es in einigen dieser Systeme welche geben könnte, die noch nicht gefunden wurden.

Unser eigenes Sonnensystem ist die Heimat von Riesenplaneten, die verantwortlich für "Trümmergürtel" sind: Der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter, gestaltet von letzterem, und der Kuipergürtel, der von Neptun geformt wurde. Viele der von Meshkat und Mawet untersuchten Systeme besitzen ebenfalls zwei Gürtel, aber sie sind auch viel jünger als unseres – bis zu einer Milliarde Jahre alt, verglichen mit den heutigen circa 4,5 Milliarden Jahren unseres Sonnensystems. Die Jugend dieser Systeme erklärt teilweise, warum sie viel mehr Staub enthalten als unseres, hervorgerufen durch die Kollisionen kleiner Himmelskörper.

Ein in der Studie beschriebenes System ist Beta Pictoris, das von bodenbasierten Teleskopen direkt abgebildet wurde. Dieses System besitzt eine Trümmerscheibe, Kometen und einen bestätigten Exoplaneten. Tatsächlich sagten die Wissenschaftler die Existenz des Planeten basierend auf der Struktur der auffälligen Scheibe voraus, lange bevor er bestätigt wurde.

In einem anderen Szenario weist die Präsenz von zwei Staubgürteln in einer einzigen Trümmerscheibe darauf hin, dass es dort wahrscheinlich mehrere Planeten gibt, deren Gravitationskräfte diese Gürtel aufrechterhalten. Das ist im System HR 8799 mit vier Riesenplaneten der Fall. Die Gravitationskräfte der Riesenplaneten katapultieren vorbeifliegende Kometen nach innen in Richtung des Zentralsterns, was der Periode des Großen Bombardements in der Geschichte unseres eigenen Sonnensystems vor etwa vier Milliarden Jahren ähnelt.

Wissenschaftler nehmen an, dass die Migration der Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun während dieser Periode Staub und kleine Himmelskörper in den Kuipergürtel und den Asteroidengürtel ablenkte, die wir heute beobachten. Als die Sonne jung war, war außerdem viel mehr Staub in unserem Sonnensystem vorhanden.

"Indem wir Astronomen zeigen, wo zukünftige Missionen wie das James Webb Space Telescope der NASA ihre besten Aussichten auf den Nachweis von Riesenplaneten haben, ebnet diese Forschungsarbeit den Weg für zukünftige Entdeckungen", sagte Karl Stapelfeldt vom JPL, Chefwissenschaftler des Exoplanet Exploration Program Office der NASA und Co-Autor der Studie.

Quelle

(THK)

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