Forscher messen die Ausrichtung eines Multiplanetensystems und stellen fest, dass es unserem eigenen Sonnensystem sehr ähnlich ist.
Jennifer Chu, MIT-Nachrichtenbüro
Unser Sonnensystem weist eine bemerkenswert geordnete Konfiguration auf: Die acht Planeten umkreisen die Sonne wie Läufer auf einer Spur, die auf ihren jeweiligen Spuren kreisen und sich immer auf derselben Ebene befinden. Im Gegensatz dazu befinden sich die meisten in den letzten Jahren entdeckten Exoplaneten - insbesondere die als "heiße Jupiter" bekannten Riesen - in weitaus exzentrischeren Bahnen.
Jetzt haben Forscher des MIT, der University of California in Santa Cruz und anderer Institutionen das erste exoplanetare System entdeckt, das 10.000 Lichtjahre entfernt ist und regelmäßig ausgerichtete Umlaufbahnen aufweist, die denen unseres Sonnensystems ähneln. Im Zentrum dieses fernen Systems steht Kepler-30, ein Stern, der so hell und massig ist wie die Sonne. Nach der Analyse von Daten aus dem Kepler-Weltraumteleskop der NASA stellten die MIT-Wissenschaftler und ihre Kollegen fest, dass sich der Stern - ähnlich wie die Sonne - um eine vertikale Achse dreht und seine drei Planeten Bahnen haben, die alle in derselben Ebene liegen.
In dieser Interpretation durchläuft der Planet Kepler-30c einen der großen Sternpunkte, die häufig auf der Oberfläche seines Wirtssterns erscheinen. Die Autoren verwendeten diese Ereignisse, um zu zeigen, dass die Umlaufbahnen der drei Planeten (Farblinien) mit der Rotation des Sterns (gelockter weißer Pfeil) ausgerichtet sind.
Grafik: Cristina Sanchis Ojeda
„In unserem Sonnensystem verläuft die Flugbahn der Planeten parallel zur Rotation der Sonne, was zeigt, dass sie sich wahrscheinlich aus einer sich drehenden Scheibe gebildet haben“, sagt Roberto Sanchis-Ojeda, ein Doktorand der Physik am MIT, der die Forschungsanstrengungen leitete. "In diesem System zeigen wir, dass das Gleiche passiert."
Ihre Erkenntnisse, die heute in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, könnten dazu beitragen, die Ursprünge bestimmter weit entfernter Systeme zu erklären und gleichzeitig Licht in unsere eigene planetare Nachbarschaft zu bringen.
"Es sagt mir, dass das Sonnensystem kein Zufall ist", sagt Josh Winn, Associate Professor für Physik am MIT und Co-Autor des Papiers. "Die Tatsache, dass die Rotation der Sonne mit den Umlaufbahnen der Planeten ausgerichtet ist, ist wahrscheinlich kein Zufall."
Richten Sie die Aufzeichnung auf Neigungen der Umlaufbahn aus
Laut Winn kann die Entdeckung des Teams auf eine neuere Theorie der Entstehung heißer Jupiter zurückführen. Diese riesigen Körper sind nach ihrer extremen Nähe zu ihren weißglühenden Sternen benannt, die in nur wenigen Stunden oder Tagen eine Umlaufbahn zurücklegen. Die Umlaufbahnen der heißen Jupiter sind in der Regel aus dem Gleichgewicht geraten, und Wissenschaftler haben angenommen, dass solche Fehlausrichtungen ein Hinweis auf ihre Herkunft sein könnten: Ihre Umlaufbahnen wurden möglicherweise in der sehr frühen, flüchtigen Phase der Entstehung eines Planetensystems schief geschlagen, wenn mehrere Riesenplaneten es könnten sind nahe genug herangekommen, um einige Planeten aus dem System zu verteilen und andere näher an ihre Sterne heranzuführen.
Kürzlich haben Wissenschaftler eine Reihe von heißen Jupitersystemen identifiziert, die alle Umlaufbahnen gekippt haben. Doch um diese „planetare Streutheorie“ wirklich zu beweisen, müssen die Forscher laut Winn ein nicht heißes Jupitersystem identifizieren, bei dem Planeten weiter von ihrem Stern entfernt kreisen. Wenn das System wie unser Sonnensystem ausgerichtet wäre und keine Neigung der Umlaufbahn hätte, würde dies den Nachweis erbringen, dass nur heiße Jupitersysteme aufgrund von Planetenstreuung fehlausgerichtet sind.
Sonnenflecken in der fernen Sonne entdecken
Um das Rätsel zu lösen, durchsuchte Sanchis-Ojeda die Daten des Kepler-Weltraumteleskops, einem Instrument, das 150.000 Sterne auf Anzeichen ferner Planeten überwacht. Er ging auf Kepler-30 ein, ein nicht heißes Jupitersystem mit drei Planeten, die alle viel längere Umlaufbahnen haben als ein typischer heißer Jupiter. Um die Ausrichtung des Sterns zu messen, verfolgte Sanchis-Ojeda seine Sonnenflecken, dunkle Flecken auf der Oberfläche heller Sterne wie die Sonne.
"Diese kleinen schwarzen Flecken marschieren über den Stern, während er sich dreht", sagt Winn. "Wenn wir ein Bild machen könnten, wäre das großartig, denn Sie würden genau sehen, wie der Stern ausgerichtet ist, wenn Sie nur diese Punkte verfolgen."
Sterne wie Kepler-30 sind jedoch extrem weit entfernt, so dass es fast unmöglich ist, ein Bild von ihnen aufzunehmen: Der einzige Weg, solche Sterne zu dokumentieren, ist die Messung der geringen Lichtmenge, die sie abgeben. Deshalb suchte das Team nach Wegen, um Sonnenflecken mit dem Licht dieser Sterne zu verfolgen. Jedes Mal, wenn ein Planet einen solchen Stern durchquert oder davor kreuzt, blockiert er ein Stückchen Sternenlicht, das die Astronomen als Abnahme der Lichtintensität betrachten. Wenn ein Planet einen dunklen Sonnenfleck überquert, verringert sich die Menge des blockierten Lichts und es entsteht ein Blip im Datendip.
"Wenn Sie einen Fleck von einem Sonnenfleck bekommen, dann ist derselbe Fleck möglicherweise beim nächsten Mal hierher gezogen, und Sie würden den Fleck nicht hier, sondern dort sehen", sagt Winn. "Das Timing dieser Blips ist also das, was wir verwenden, um die Ausrichtung des Sterns zu bestimmen."
Aus den Datenblips schloss Sanchis-Ojeda, dass sich Kepler-30 entlang einer Achse dreht, die senkrecht zur Orbitalebene seines größten Planeten verläuft. Die Forscher bestimmten dann die Ausrichtung der Planetenbahnen, indem sie die Gravitationseffekte eines Planeten auf einen anderen untersuchten. Durch Messung der zeitlichen Abweichungen der Planeten beim Durchlaufen des Sterns ermittelte das Team ihre jeweiligen Umlaufbahnkonfigurationen und stellte fest, dass alle drei Planeten entlang derselben Ebene ausgerichtet sind. Die gesamte Planetenstruktur, wie Sanchis-Ojeda herausfand, sieht unserem Sonnensystem sehr ähnlich.
James Lloyd, ein Assistenzprofessor für Astronomie an der Cornell University, der an dieser Forschung nicht beteiligt war, sagt, dass das Studium der Planetenbahnen Aufschluss darüber geben kann, wie sich das Leben im Universum entwickelt hat - denn um ein stabiles, lebensfähiges Klima zu haben, braucht ein Planet in einer stabilen Umlaufbahn sein. "Um zu verstehen, wie verbreitet das Leben im Universum ist, müssen wir letztendlich verstehen, wie verbreitet stabile Planetensysteme sind", sagt Lloyd. "Wir können Hinweise in extrasolaren Planetensystemen finden, um die Rätsel des Sonnensystems zu verstehen und umgekehrt."
Die Ergebnisse dieser ersten Studie zur Ausrichtung eines nicht heißen Jupitersystems legen nahe, dass sich heiße Jupitersysteme tatsächlich über die planetare Streuung bilden können. Um sicherzugehen, sagt Winn, dass er und seine Kollegen planen, die Umlaufbahnen anderer weit entfernter Sonnensysteme zu messen.
"Wir waren hungrig nach solchen, wo es nicht genau wie im Sonnensystem ist, aber zumindest ist es normaler, wo die Planeten und der Stern miteinander ausgerichtet sind", sagt Winn. "Es ist der erste Fall, in dem wir das sagen können, abgesehen vom Sonnensystem."
Reed mit freundlicher Genehmigung von MIT News.