Wissenschaftler haben mit dem NASA-Weltraumteleskop Kepler ein regelmäßiges Muster in den Umlaufbahnen der Planeten im System TRAPPIST-1 identifiziert, das vermutete Details über die Umlaufbahn des äußersten und am wenigsten verstandenen Planeten TRAPPIST-1h bestätigt.
TRAPPIST-1 besitzt nur acht Prozent der Masse unserer Sonne, was ihn zu einem kühleren und weniger hellen Stern macht. Er beherbergt sieben erdgroße Planeten, wovon drei in der habitablen Zone des Sterns kreisen. Die habitable Zone ist der Entfernungsbereich von einem Stern, wo flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Gesteinsplaneten vorhanden sein könnte. Das System liegt etwa 40 Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Aquarius (Wassermann) und wird auf ein Alter zwischen drei und acht Milliarden Jahre geschätzt.
Am 22. Februar 2017 gaben Wissenschaftler im Rahmen einer NASA-Pressekonferenz bekannt, dass das System sieben erdgroße Planeten besitzt. Das NASA-Weltraumteleskop Spitzer, das Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Chile und andere bodengestützte Teleskope wurden genutzt, um die Planeten nachzuweisen und zu charakterisieren. Aber für die Umlaufperiode von TRAPPIST-1h hatte die Kollaboration nur eine Schätzung.
Astronomen der University of Washington haben Daten des Kepler-Teleskops verwendet, um zu bestätigen, dass TRAPPIST-1h seinen Stern in 19 Tagen umkreist. Mit einer Entfernung von etwa 9,6 Millionen Kilometern zu seinem kühlen Zwergstern liegt TRAPPIST-1h jenseits der äußeren Grenze der habitablen Zone und ist wahrscheinlich zu kalt für Leben, wie wir es kennen. Die Energiemenge (pro Einheitsfläche), die TRAPPIST-1h von seinem Stern erhält, ist vergleichbar mit der Energiemenge, die der Zwergplanet Ceres im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter von unser Sonne bekommt.
“Es ist unglaublich aufregend, dass wir mehr über dieses Planetensystem erfahren, insbesondere über TRAPPIST-1h, zu dem wir bis jetzt kaum Informationen hatten”, sagte Thomas Zurbuchen, der Associate Administrator des Science Mission Directorate am NASA-Hauptquartier in Washington. “Dieses Ergebnis ist ein großartiges Beispiel dafür, wie die wissenschaftliche Gemeinschaft die Leistungsfähigkeit einander ergänzender Daten von unseren verschiedenen Missionen nutzt, um solch faszinierende Entdeckungen zu machen.”
“Es hat mich wirklich gefreut, dass TRAPPIST-1h exakt dort lag, wo unser Team ihn vorhergesagt hatte. Ich war eine Weile besorgt, dass wir sahen, was wir sehen wollten – letztendlich ist es auf diesem Gebiet fast nie so, dass etwas so ist wie erwartet”, sagte Rodrigo Luger. Luger ist Doktorand an der University of Washington und Hauptautor der Studie, die im Journal Nature Astronomy veröffentlicht wurde. “Normalerweise überrascht uns die Natur immerzu, aber in diesem Fall stimmte die Theorie perfekt mit der Beobachtung überein.”
Orbitalresonanz – Harmonie zwischen Himmelskörpern
In den früheren Spitzer-Daten erkannte das Team ein mathematisches Muster in der Frequenz, mit der jeder der sechs inneren Planeten ihren Stern umkreist. Dieses komplexe aber vorhersagbare Muster wird als Orbitalresonanz bezeichnet und tritt auf, wenn Planeten eine regelmäßige, periodische, gravitative Anziehung aufeinander ausüben, während sie ihren Stern umkreisen.
Um das Konzept der Resonanz zu verstehen, kann man die Jupitermonde Io, Europa und Ganymed betrachten. Letzterer ist der am weitesten entfernte Mond der drei. Für jedes Mal, wenn Ganymed Jupiter einmal umkreist, vollendet Europa zwei Umkreisungen und Io umrundet den Planeten vier Mal. Diese 1:2:4-Resonanz wird als stabil angesehen, und wenn ein Mond von seiner Bahn abgebracht werden würde, dann würde er es selbst korrigieren und wieder zurück in eine stabile Umlaufbahn einschwenken. Es ist diese harmonische Beeinflussung zwischen den sieben Planeten von TRAPPIST-1, die das System stabil hält.
Diese Beziehungen ließen laut Luger vermuten, dass Wissenschaftler sogar vor den Kepler-Beobachtungen die exakte Orbitalgeschwindigkeit und damit auch die Umlaufperiode von TRAPPIST-1h vorhersagen könnten, indem sie die Orbitalgeschwindigkeiten seiner benachbarten Planeten untersuchen. Das Team berechnete sechs mögliche Resonanzperioden für TRAPPIST-1h, die die Stabilität des Systems nicht beeinträchtigen würden, aber nur eine wurde durch zusätzliche Daten nicht ausgeschlossen. Die anderen fünf Möglichkeiten hätten in den Beobachtungen von Spitzer und den gesammelten Daten des TRAPPIST-Teams beobachtet werden können.
“All das spricht dafür, dass diese orbitalen Beziehungen früh in der Entwicklungsgeschichte während des Planetenbildungsprozesses des Systems TRAPPIST-1 entstanden. “Die Resonanzstruktur ist kein Zufall und weist auf eine interessante dynamische Geschichte hin, in der die Planeten wahrscheinlich schrittweise nach innen migrierten”, sagte Luger. “Das macht das System zu einem großartigen Labor für die Planetenentstehung und Migrationstheorien.”
Video-Link: https://youtu.be/5UEto6TC-0s
Weltweite Echtzeit-Zusammenarbeit
Das Weltraumteleskop Kepler beobachtete den Himmelsausschnitt des Systems TRAPPIST-1 vom 15. Dezember 2016 bis zum 4. März 2017 und sammelte im Rahmen seiner zweiten Mission K2 Daten über die geringen Helligkeitsveränderungen des Sterns aufgrund vorbeiziehender Planeten. Am 8. März 2017 wurden die unkalibrierten Rohdaten für die wissenschaftliche Gemeinschaft veröffentlicht, damit sie mit Nachfolgestudien beginnen konnte.
Die Arbeit zur Bestätigung der Umlaufperiode von TRAPPIST-1h begann sofort und Forscher aus der ganzen Welt teilten die neuen Informationen über das Verhalten des Sterns und seiner Planeten per Social Media in Echtzeit. Weniger als zwei Stunden nach der Datenveröffentlichung bestätigte das Team seine Vorhersage einer 19-tägigen Umlaufperiode.
“Ergebnisse aus Daten herauszuziehen ist immer motivierend, aber es war ein seltenes Vergnügen, Wissenschaftler aus der ganzen Welt zusammenarbeiten zu sehen und ihre Fortschritte per Social Media praktisch in Echtzeit zu verbreiten, sobald sie die Daten analysiert und die Transits von TRAPPIST-1h identifiziert hatten”, sagte Jessie Dotson, Projektwissenschaftler der K2-Mission am Ames Research Center der NASA im Silicon Valley (Kalifornien). “Die Kreativität und Zweckmäßigkeit, mit der die Daten verwendet wurden, war ein besonders aufregender Aspekt des auf die Gemeinschaft fokussierten Ansatzes der K2-Mission.”
Die Resonanzkette der sieben Planeten im System TRAPPIST-1 stellte einen Rekord unter den bekannten Planetensystemen auf. Die bisherigen Rekordhalter waren die Systeme Kepler-80 und Kepler-223 mit jeweils vier Planeten in Orbitalresonanz.
TRAPPIST-1 wurde im Jahr 2016 von der TRAPPIST Collaboration entdeckt, wobei zu dem Zeitpunkt nur drei Planeten bekannt waren. Weitere Planeten wurden mit Spitzer und bodenbasierten Teleskopen gefunden. Das Weltraumteleskop Hubble führt Nachfolgestudien mit Beobachtungen der planetaren Atmosphären durch, und das James Webb Space Telescope wird in der Lage sein, potenzielle Atmosphären genauer zu untersuchen.
Das Ames Research Center betreibt die Kepler- und K2-Missionen für das Science Mission Directorate der Agentur. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena (Kalifornien) leitete die Entwicklung der Kepler-Mission. Die Ball Aerospace & Technologies Corp. betreibt das Flugsystem mit Unterstützung des Laboratory for Atmospheric and Space Physics an der University of Colorado in Boulder.
(THK)
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