Pressemitteilung

Rätselhaftes System aus sechs Exoplaneten mit rhythmischer Bewegung stellt Theorien über die Entstehung von Planeten in Frage

25. Januar 2021

Mit einer Reihe von Teleskopen, darunter das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO), haben Astronomen ein System aus sechs Exoplaneten entdeckt, von denen fünf in einem ungewöhnlichen Rhythmus um ihren Zentralstern kreisen. Die Forscher sind überzeugt, dass das System wichtige Hinweise darauf liefern könnte, wie Planeten, einschließlich derer im Sonnensystem, entstehen und sich entwickeln.

Als das Team TOI-178, einen etwa 200 Lichtjahre entfernten Stern im Sternbild Sculptor, zum ersten Mal beobachtete, dachten sie, sie hätten zwei Planeten entdeckt, die ihn auf der gleichen Bahn umkreisen. Ein genauerer Blick offenbarte jedoch etwas ganz anderes. „Durch weitere Beobachtungen erkannten wir, dass es sich nicht um zwei Planeten handelt, die den Stern in etwa gleichem Abstand umkreisen, sondern um mehrere Planeten in einer ganz speziellen Konfiguration“, sagt Adrien Leleu von der Universität Genf und der Universität Bern, Schweiz, der eine neue Studie des Systems leitete, die heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde.

Die neuen Forschungen haben ergeben, dass das System sechs Exoplaneten aufweist und dass alle außer demjenigen, der dem Stern am nächsten ist, in einem rhythmischen Tanz gefangen sind, während sie sich auf ihren Bahnen bewegen. Mit anderen Worten: Sie befinden sich in Resonanz. Das bedeutet, dass es Muster gibt, das sich wiederholt, während die Planeten um den Stern kreisen, wobei sich einige Planeten alle paar Umläufe aneinander ausrichten. Eine ähnliche Resonanz wird auch bei den Bahnen von drei Jupitermonden beobachtet: Io, Europa und Ganymed. Io, der dem Jupiter am nächsten gelegene der drei Monde, absolviert für jeden Orbit, den der am weitesten entfernte Ganymed macht, vier volle Umläufe um Jupiter, und für jeden Orbit, den Europa macht, zwei volle Umläufe.

Die fünf äußeren Exoplaneten des TOI-178-Systems folgen einer viel komplexeren Resonanzkette, einer der längsten, die bisher in einem Planetensystem entdeckt wurde. Während sich die drei Jupitermonde in einer 4:2:1-Resonanz befinden, folgen die fünf äußeren Planeten des TOI-178-Systems einer 18:9:6:4:3-Kette: Während der vom Stern aus gesehen zweite Planet (der erste in der Resonanzkette) 18 Umläufe vollzieht, absolviert der vom Stern aus gesehen dritte Planet (der zweite in der Kette) 9 Umläufe, und so weiter. Tatsächlich fanden die Wissenschaftler zunächst nur fünf Planeten in dem System, aber indem sie diesem Resonanzrhythmus folgten, berechneten sie, wo sich ein zusätzlicher Planet in seiner Umlaufbahn befinden würde, wenn sie das nächste Mal ein Zeitfenster zur Beobachtung des Systems hätten.

Dieser Tanz der resonierenden Planeten ist mehr als nur eine Bahnkuriosität, er liefert Hinweise auf die Vergangenheit des Systems. „Die Bahnen in diesem System sind sehr gut geordnet, was uns sagt, dass sich dieses System seit seiner Geburt recht sanft entwickelt hat“, erklärt Co-Autor Yann Alibert von der Universität Bern. Wäre das System früher in seinem Leben erheblich gestört worden, zum Beispiel durch einen riesigen Einschlag, hätte diese fragile Konfiguration der Bahnen nicht überlebt.

Unordnung im rhythmischen System

Doch auch wenn die Bahnkonfiguration sauber und geordnet ist, sind die Dichten der Planeten „viel ungeordneter“, sagt Nathan Hara von der Universität Genf, Schweiz, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Es scheint, dass es einen Planeten gibt, der so dicht ist wie die Erde, direkt neben einem sehr leichten Planeten mit der Hälfte der Dichte des Neptuns, gefolgt von einem Planeten mit der Dichte des Neptuns. Das ist nicht das, was wir gewohnt sind.“ In unserem Sonnensystem zum Beispiel sind die Planeten fein säuberlich angeordnet, mit den dichteren Gesteinsplaneten näher am Zentralstern und den lockerer strukturierten Gasplaneten mit geringer Dichte weiter draußen.

„Dieser Kontrast zwischen der rhythmischen Harmonie der Orbitalbewegung und den ungeordneten Dichten stellt unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen sicherlich in Frage“, betont Leleu.

Kombinierte Techniken

Um die ungewöhnliche Architektur des Systems zu untersuchen, nutzte das Team Daten des CHEOPS-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zusammen mit dem bodengebundenen ESPRESSO-Instrument am VLT der ESO sowie NGTS und SPECULOOS, die sich beide am Paranal-Observatorium der ESO in Chile befinden.  Da es extrem schwierig ist, Exoplaneten direkt mit Teleskopen zu entdecken, müssen sich die Astronomen stattdessen auf andere Techniken verlassen, um sie aufzuspüren. Die wichtigsten Methoden, die dabei zum Einsatz kommen, sind die Beobachtung von Transits – die Analyse des Lichts, das vom Zentralstern ausgesandt wird, der sich verdunkelt, wenn ein Exoplanet von der Erde aus gesehen vor ihm vorbeizieht – und Radialgeschwindigkeiten – die Beobachtung des Lichtspektrums des Sterns auf kleine Anzeichen von Verschiebungen, die auftreten, wenn sich die Exoplaneten auf ihren Bahnen bewegen. Das Team verwendete beide Methoden, um das System zu beobachten: CHEOPS, NGTS und SPECULOOS für die Transite und ESPRESSO für die Radialgeschwindigkeiten.

Durch die Kombination der beiden Techniken konnten die Astronomen wichtige Informationen über das System und seine Planeten sammeln, die ihren Zentralstern viel näher und viel schneller umkreisen als die Erde die Sonne umkreist. Der schnellste (der innerste Planet) vollendet eine Umlaufbahn in nur ein paar Tagen, während der langsamste etwa zehnmal so lange braucht. Die sechs Planeten sind etwa ein- bis dreimal so groß wie die Erde, während ihre Masse das 1,5- bis 8-fache der Erdmasse beträgt. Einige der Planeten bestehen aus Gestein, sind aber größer als die Erde und werden als Super-Erden bezeichnet. Andere sind Gasplaneten, wie die äußeren Planeten in unserem Sonnensystem, allerdings sind sie viel kleiner und werden Mini-Neptune genannt.

Obwohl keiner der sechs gefundenen Exoplaneten in der bewohnbaren Zone des Sterns liegt, vermuten die Forscher, dass sie durch die Weiterverfolgung der Resonanzkette weitere Planeten finden könnten, die in oder sehr nahe an dieser Zone existieren könnten. Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll, wird in der Lage sein, Gesteinsplaneten in der bewohnbaren Zone eines Sterns direkt abzubilden und sogar ihre Atmosphären zu charakterisieren. Dies bietet die Möglichkeit, Systeme wie TOI-178 noch detaillierter zu erforschen.

Korrektur vom 4. Februar 2021: Eine frühere Version dieser Meldung enthielt fälschlicherweise die Angabe, dass die Massen der Planeten zwischen 1,5 und 30 Erdmassen liegen. Tatsächlich haben die Planeten Massen zwischen 1,5 und 8 Erdmassen.

Weitere Informationen

Diese Studie wurde in dem Artikel „Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178“ vorgestellt, der in Astronomy & Astrophysics erscheint.

Das Team besteht aus A. Leleu (Observatoire Astronomique de l'Université de Genève, Schweiz [UNIGE], Universität Bern, Schweiz [Bern]), Y. Alibert (Bern), N. C. Hara (UNIGE), M. J. Hooton (Bern), T. G. Wilson (Centre for Exoplanet Science, SUPA School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, UK [St Andrews]), P. Robutel (IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, Frankreich [IMCCE]), J.- B Delisle (UNIGE), J. Laskar (IMCCE), S. Hoyer (Aix Marseille Univ, CNRS, CNES, LAM, Frankreich [AMU]), C. Lovis (UNIGE), E. M. Bryant (Department of Physics, University of Warwick, UK [Warwick], Centre for Exoplanets and Habitability, University of Warwick [CEH]), E. Ducrot (Astrobiology Research Unit, Université de Liège, Belgien [Liège]), J. Cabrera (Institut für Planetenforschung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Berlin, Deutschland [Institut für Planetenforschung, DLR]), J. Acton (School of Physics and Astronomy, University of Leicester, UK [Leicester]), V. Adibekyan (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, Portugal [IA], Centro de Astrofísica da Universidade do Porto, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto [CAUP]), R. Allart (UNIGE), C, Allende Prieto (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife [IAC], Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife [ULL]), R. Alonso (IAC, ULL), D. Alves (Camino El Observatorio 1515, Las Condes, Santiago, Chile), D. R Anderson (Warwick, CEH), D. Angerhausen (ETH Zürich, Institut für Teilchenphysik und Astrophysik), G. Anglada Escudé (Institut de Ciències de l'Espai [ICE, CSIC], Bellaterra, Spanien, Institut d'Estudis Espacials de Catalunya [IEEC], Barcelona, Spanien), J. Asquier (ESTEC, ESA, Noordwijk, die Niederlande [ESTEC]), D. Barrado (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia [CSIC-INTA], Madrid, Spanien), S.C.C Barros (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto), W. Baumjohann (Institut für Weltraumforschung, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Österreich), D. Bayliss (Warwick, CEH), M. Beck (UNIGE), T. Beck (Bern) A. Bekkelien (UNIGE), W. Benz (Bern, Center for Space and Habitability, Bern, Schweiz [CSH]), N. Billot (UNIGE), A. Bonfanti (IWF), X. Bonfils (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Frankreich), F. Bouchy (UNIGE), V. Bourrier (UNIGE), G. Boué (IMCCE), A. Brandeker (Department of Astronomy, Stockholm University, Sweden), C. Broeg (Bern), M. Buder (Institut für Optische Sensorsysteme, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)), A. Burdanov (Liège, Department of Earth, Atmospheric and Planetary Science, Massachusetts Institute of Technology, USA), M. R. Burleigh (Leicester), T. Bárczy (Admatis, Miskok, Hungary), A. C. Cameron (St Andrews), S. Chamberlain (Leicester), S. Charnoz (Université de Paris, Institut de physique du globe de Paris, CNRS, Frankreich), B. F. Cooke (Warwick, CEH), C. 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Verrecchia (Space Science Data Center, ASI, Roma, Italien, INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), J. I. Vines (Camino El Observatorio 1515, Santiago, Chile), N. A. Walton (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK), R. G. West (Warwick, CEH), P. K. Wheatley (Warwick, CEH), D. Wolter (Institut für Planetenforschung, DLR), M. R. Zapatero Osorio (Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Madrid, Spanien).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

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