Astronomen lösen Rätsel um das Planetensystem 55 Cancri

Schematischer Vergleich unseres eigenen Sonnensystems (oben) mit dem 39 Lichtjahre entfernten System 55 Cancri. Der jupiterähnliche Planet 55 Cancri d ist auf der Illustration nicht abgebildet, weil er sich weit rechts außerhalb der Grafik befinden würde. Eine Astronomische Einheit (AU) ist die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne. (Center for Exoplanets and Habitable Worlds, Penn State University)
Schematischer Vergleich unseres eigenen Sonnensystems (oben) mit dem 39 Lichtjahre entfernten System 55 Cancri. Der jupiterähnliche Planet 55 Cancri d ist auf der Illustration nicht abgebildet, weil er sich weit rechts außerhalb der Grafik befinden würde. Eine Astronomische Einheit (AU) ist die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne. (Center for Exoplanets and Habitable Worlds, Penn State University)

Die Autoren einer wissenschaftlichen Abhandlung berichten, dass das Geheimnis eines der faszinierendsten und nächstgelegenen Planetensysteme jetzt gelöst wurde. Die Studie präsentiert das erste brauchbare Modell des Planetensystems, welches einen der ersten Sterne umkreist, bei dem Exoplaneten entdeckt wurden: 55 Cancri. Die Studie wurde von dem Doktoranden Benjamin Nelson von der Pennsylvania State University in Zusammenarbeit mit der Fakultät am Center for Exoplanets and Habitable Worlds der Pennsylvania State University und fünf Astronomen von anderen Einrichtungen in den Vereinigten Staaten und Deutschland geleitet. Die Abhandlung ist im Journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen.

Seit 2002 konnten zahlreiche Studien kein plausibles Modell für die Massen und Umlaufbahnen zweier Riesenplaneten erstellen, die 55 Cancri A in einer geringeren Entfernung umkreisen, als sich Merkur an unserer Sonne befindet. Astronomen hatten Schwierigkeiten zu verstehen, wie diese massereichen Planeten in ihren geringen Entfernungen zu dem Stern eine Katastrophe vermeiden konnten – zum Beispiel, dass ein Planet in den Stern stürzt oder dass die beiden Planeten miteinander kollidieren. Jetzt hat eine neue Studie unter Leitung der Pennsylvania State University tausende Beobachtungen mit neuen statistischen und Computerberechnungen kombiniert, um die Eigenschaften der Planeten genauer zu messen. Sie zeigt, dass die bestimmten Massen und Umlaufbahnen das System vor einer baldigen Selbstzerstörung bewahren.

“Das Planetensystem 55 Cancri ist einzigartig, sowohl was die Verschiedenheit seiner bekannten Planeten betrifft als auch bei der Anzahl und Vielfältigkeit der astronomischen Beobachtungen”, sagte Eric Ford, ein Professor für Astronomie und Astrophysik an der Pennsylvania State University. Ford ist Mitglied des Penn State Center for Astrostatistics, des Penn State Institute for CyberSciences und Co-Autor der Studie. “Die Komplexität dieses Systems macht es ungewöhnlich anspruchsvoll, diese Beobachtungen zu interpretieren”, sagte Ford, dessen Fachkompetenz die Modellierung komplexer Datensätze einschließt.

Um die neuen Analysen durchzuführen, arbeiteten Nelson und Ford mit Computerwissenschaftlern zusammen und entwickelten ein Werkzeug zur Simulation von Planetensystemen, indem sie Grafikkarten für schnellere Berechnungen verwendeten. Durch die Kombination mehrerer Beobachtungsarten bestimmten die Astronomen, dass einer der Planeten in dem System (55 Cancri e) die achtfache Erdmasse, den doppelten Erdradius und die gleiche Dichte wie die Erde besitzt. Diese Planet ist viel zu heiß, um flüssiges Wasser zu beherbergen, weil seine Oberflächentemperaturen auf 2.100 Grad Celsius geschätzt wird. Also besitzt er wahrscheinlich kein Leben.

Es war erst 2011, acht Jahre nach der Entdeckung des innersten Planeten 55 Cancri e, als Astronomen erkannten, dass er seinen Zentralstern in weniger als 18 Stunden umkreist und nicht in rund drei Tagen, wie ursprünglich angenommen. Bald danach registrierten Astronomen einen Transit des Planeten, als er vor seinem Stern vorbeizog, was ihnen ermöglichte, auch die relative Größe des Planeten zu messen.

“Die beiden Riesenplaneten des Systems 55 Cancri interagieren so stark miteinander, dass wir Veränderungen in ihren Umlaufbahnen registrieren können. Diese Beobachtungen sind aufregend, weil sie uns die Möglichkeit geben, etwas über die Umlaufbahnen zu erfahren, das sonst nicht erkennbar ist. Die schnellen Wechselwirkungen zwischen den Planeten stellen allerdings auch eine Herausforderung dar, weil die Modellierung des Systems zeitaufwändige Simulationen für jedes Modell erfordert, um die Bahnen der Planeten zu bestimmen und damit die Wahrscheinlichkeit, Milliarden Jahre lang ohne eine katastrophale Kollision zu überstehen”, sagte Benjamin Nelson.

“Man muss die Bewegung der Riesenplaneten genau berücksichtigen, um die Eigenschaften der acht Erdmassen schweren Supererde präzise zu messen”, sagte Ford. “Die meisten vorherigen Analysen hatten die Wechselwirkungen zwischen den Planeten ignoriert. Ein paar frühere Studien hatten diese Effekte zwar modelliert, aber aufgrund der erforderlichen großen Anzahl von Berechnungen für eine korrekte Analyse wurden nur einfache statistische Analysen durchgeführt.”

Diese Leistung ist ein Beispiel für die wissenschaftlichen Durchbrüche, die von datenintensiver, fachübergreifender Forschung erzielt werden, unterstützt durch das Penn State Institute for CyberScience”, sagte Padma Raghavan, eine angesehene Professorin für Computerwissenschaften und Ingenieurswesen, Vizepräsidentin für Forschung und Direktorin des Institute for CyberScience.

Das System 55 Cancri liegt nur 39 Lichtjahre entfernt im Sternbild Cancer (Krebs). Weil es in astronomischen Maßstäben so nahe liegt, leuchtet das System von der Erde aus beobachtet recht hell. Astronomen können den Radius des Sterns deshalb direkt messen – eine Beobachtung, die in der Praxis nur für einige unserer nächsten Nachbarsterne möglich ist. Den Radius des Sterns zu kennen, erlaubte es den Astronomen, präzise Messungen seiner Masse (annähernd die Masse der Sonne) vorzunehmen und die Größe und Dichte der Supererde zu bestimmen.

“Weil 55 Cancri so hell ist, dass er mit bloßem Auge gesehen werden kann, waren Astronomen in der Lage, die Geschwindigkeit dieses Sterns an vier verschiedenen Observatorien über tausend Mal zu messen. Das gab den Planeten des Systems viel mehr Aufmerksamkeit, als die meisten Exoplaneten bekommen”, sagte Assistenzprofessor Jason Wright von der Pennsylvania State University. Er leitete ein Programm, um dieses und mehrere andere Planetensysteme zu untersuchen.

Astronomen haben erstmals im Jahr 1997 entdeckt, dass der Stern 55 Cancri A von einem Riesenplaneten umkreist wird. Langzeitbeobachtungen von Wright und seinen Kollegen machten später den Nachweis von fünf Planeten möglich, die den Stern umrunden. Dabei handelt es sich zum Beispiel um einen kalten Riesenplaneten mit einer Umlaufbahn, die jener des Jupiter sehr ähnlich ist, oder um eine brütend heiße Supererde. Eine Supererde ist ein Planet mit einer Masse, die größer als die Erdmasse ist, aber deutlich unterhalb der Masse Neptuns liegt, der etwa die 17-fache Erdmasse besitzt.

Der Astronomie- und Astrophysik-Professor Alexander Wolszczan von der Pennsylvania State University und sein Kollege Dale Frail entdeckten die ersten Planeten, die jemals außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurden. Diese Planeten umkreisen einen entfernten Pulsar und waren die ersten bekannten Supererden. Kürzliche Beobachtungen der NASA-Mission Kepler demonstrieren, dass Supererden um sonnenähnliche Sterne häufig vorkommen.

Die von Nelson geleitete Studie ist Teil einer größeren Anstrengung, um Techniken zu entwickeln, die bei der Analyse zukünftiger Beobachtungen hinsichtlich der Suche nach erdähnlichen Planeten helfen werden. Astronomen der Pennsylvania State University planen, mit einer Kombination aus neuen Observatorien und Instrumenten nach Planeten mit Erdmasse um andere helle, nahe Sterne zu suchen. Dazu gehören beispielsweise das MINERVA-Projekt und der Habitable Zone Planet Finder, der an der Penn State für das 9-Meter Hobby-Eberly Telescope gebaut wird.

“Astronomen entwickeln modernste Instrumente für die weltgrößten Teleskope, um potenziell erdähnliche Planeten nachzuweisen und zu charakterisieren. Wir kombinieren diese Bemühungen mit der Entwicklung moderner Berechnungsmethoden und statistischer Hilfsmittel”, sagte Ford.

Nelson wird die Ergebnisse der neuen Studie im Juli 2014 auf einem Treffen der International Astronomical Union in Namur (Belgien) präsentieren. Neben Astronomen der Pennsylvania State University haben auch Forscher der University of Florida, der Yale University, des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Deutschland, der University of Hawaii und des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics als Co-Autoren an der Studie mitgewirkt.

Quelle: http://www.ras.org.uk/news-and-press/news-archive/254-news-2014/2434-solved-mysteries-of-a-nearby-planetary-system

(THK)

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