Die Kepler-Mission der NASA hat in einem bemerkenswerten Exoplanetensystem sechs Planeten entdeckt, die um einen sonnenähnlichen Stern kreisen, darunter fünf Planeten mit sehr eng beieinander liegenden Umlaufbahnen. Astronomen der Universität von Kalifornien in Santa Cruz haben gemeinsam mit ihrem Co-Autoren anhand der Orbitaldaten die Dynamik des Systems analysiert. Dabei bestimmten sie die ungefähre Größe und Masse der Planeten, sowie ihre wahrscheinliche Zusammensetzung. Alle Ergebnisse basieren auf Bedeckungen des Zentralgestirns mit der Bezeichnung “Kepler-11” durch die Planeten und die daraus resultierenden Helligkeitsveränderungen.
“Dies ist nicht nur ein erstaunliches Planetensystem, es bestätigt auch eine leistungsfähige neue Methode, um die Massen von Planeten zu bestimmen”, sagte Daniel Fabrycky von der UC Santa Cruz (UCSC), der die Analyse der Orbitaldynamik leitete. Fabrycky und Jack Lissauer vom NASA Ames Research Center in Mountain View sind die Hauptautoren der Studie über Kepler-11, die in der Nature-Ausgabe vom 3. Februar veröffentlicht wird.
Die fünf inneren Planeten des Kepler-11-Systems besitzen eine Masse zwischen 2,3 und 13,5 Erdmassen und umkreisen ihr Zentralgestirn in Perioden unter 50 Tagen. Damit liegen ihre Umlaufbahnen innerhalb der Umlaufbahn des Merkur um die Sonne. Der sechste Planet ist größer und weiter entfernt von seinem Stern, jedoch konnte die Masse noch nicht ermittelt werden.
“Von den sechs Planeten ist der massereichste möglicherweise ähnlich dem Uranus oder Neptun, aber die drei leichtesten Planeten sind mit nichts vergleichbar, was wir in unserem Sonnensystem haben”, sagte Jonathan Fortney, Dozent für Astronomie and Astrophysik an der UCSC, der gemeinsam mit den Doktoranden Eric Lopez und Neil Miller die Untersuchungen über Struktur und Zusammensetzung der Planeten leitete.
Das Kepler-Teleskop entdeckt Planeten, die vor ihrem Zentralstern vorbeiwandern, indem sein Photometer die winzigen periodischen Helligkeitsveränderungen des Sterns misst. Die Stärke der Helligkeitsabnahme sagt den Forschern, wie groß der Planet in etwa ist, was seinen Radius betrifft. Die Zeit zwischen zwei Transitdurchgängen gibt Informationen über die Umlaufperiode des Planeten preis. Um die Masse der Planeten zu bestimmen, analysierte Fabrycky leichte Änderungen in den Orbitalperioden, ausgelöst durch gravitative Wechselwirkungen zwischen den Planeten. “Die Transitdurchgänge sind nicht perfekt periodisch und genau das ist die Signatur der interagierenden Planeten,” sagte er. “Indem wir ein Modell der Orbitaldynamik entwickelten, konnten wir die Massen der Planeten bestimmen und bestätigen, dass das System über mehrere Millionen Jahre stabil sein kann.”
Normalerweise würde man die Existenz von vorbeiziehenden Planeten mit leistungsstarken, erdgestützten Teleskopen bestätigen und ihre Masse mit Hilfe der Dopplerspektroskopie bestimmen, welche das “Wackeln” des Sterns empfängt, wenn die Gravitation des Planeten an ihm zerrt. Im Kepler-11-System funktioniert die Dopplerspektroskopie jedoch nicht, weil die Planeten zu klein sind und der Zentralstern in einer Entfernung von etwa 2.000 Lichtjahren zu schwach leuchtet. Das ist bei vielen der vom Kepler-Teleskop entdeckten Planeten der Fall, denn die Hauptaufgabe der Mission liegt im Aufspüren kleiner, erdähnlicher Planeten, die ihren Zentralstern in der habitablen, also der bewohnbaren Zone umkreisen. “Wir werden die Orbitaldynamik bei der Kepler-Mission oft anwenden müssen, deswegen erwarten wir, eine Menge solcher Analysen durchzuführen”, sagte Fabrycky.
Mehr als 100 Planeten hat das Kepler-Teleskop mit der Transit-Methode entdeckt, aber die meisten davon sind jupiterähnliche Gasriesen und fast alle von ihnen sind der einzige Planet des jeweiligen Systems. Das System Kepler-11 ist außergewöhnlich in Hinsicht auf die Anzahl der Planeten, ihre geringe Größe und ihre engen Umlaufbahnen. Vor diesem Fund hatten Astronomen lediglich die Größe und Masse von drei Exoplaneten bestimmt, die kleiner als Neptun sind. Nun hat das System fünf weitere hinzugefügt. Der sechste Planet von Kepler-11 ist zu weit entfernt, um seine Masse aufgrund der Bahnstörungen durch andere Planeten zu bestimmen.
Die Dichten der Planeten (abgeleitet aus Masse und Radius) geben Auskunft über ihre Zusammensetzung. Alle sechs Planeten haben eine geringere Dichte als die Erde. “”Es scheint so, als ob die beiden inneren hauptsächlich aus Wasser bestehen, mit einer dünnen Schicht aus Wasserstoff und Helium, wie Mini-Neptuns”, sagte Fortney. “Die äußeren haben eine geringere Dichte als Wasser, was für eine Wasserstoff-Helium-Atmosphäre spricht.”
Das ist überraschend, weil ein kleiner heißer Planet große Probleme beim Festhalten seiner leichten Atmosphäre haben sollte. “Diese Planeten sind wegen ihren engen Umlaufbahnen sehr heiß, und je heißer es ist, desto mehr Schwerkraft brauchen sie, um ihre Atmosphäre zu halten”, erklärte Fortney. “Meine Studenten und ich denken noch darüber nach, aber unserer Meinung nach besaßen all diese Planeten eine wesentlich dichtere Wasserstoff-Helium-Atmosphäre, und wir sehen die Überreste dieser Atmosphären auf den äußeren Planeten. Die inneren haben wahrscheinlich schon den größten Teil ihrer Atmosphären verloren.”
Ein Grund, der dieses System aus sechs Planeten so außergewöhnlich macht, ist der, dass die Wissenschaftler hier Vergleiche zwischen den einzelnen Planeten desselben Systems ziehen können. “Das ist wirklich nützlich, weil wir herausfinden können, was mit dem System als Ganzes passiert”, erläuterte Fortney. “Durch solche Vergleiche hat sich unser Verständnis von unserem eigenen Sonnensystem verbessert, deshalb ist dies viel besser als nur weitere heiße Jupiter um andere Sterne zu finden.” Er sagte außerdem, dass die Existenz von kleinen Planeten mit Wasserstoff-Helium-Atmosphäre auf eine relativ schnelle Bildung und Entwicklung des Planetensystems hindeute. Einige Studien sprechen dafür, dass die planetaren Scheiben nach circa fünf Millionen Jahren ihren Wasserstoff und ihr Helium verlieren. Es gibt Auskunft darüber, wie schnell Planeten sich bilden können.
Seiner Meinung nach ist es unwahrscheinlich, dass die inneren Planeten sich dort gebildet haben, wo sie nun um ihren Zentralstern kreisen. Manche müssen weiter außen entstanden sein und sind dann in den inneren Bereich des Planetensystems gewandert. Wenn ein Planet in eine eigene Gas- und Staubscheibe eingebettet ist, zwingt ihn das über kurz oder lang auf eine langsame Spiralbahn in Richtung des inneren Planetensystems. Folglich mussten die Entstehung und die Migration sehr früh passieren.
(THK)
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