Wenn Sie in den Nachthimmel schauen, werden Sie sicher Sterne sehen. Sie sehen aber auch Planeten - Milliarden und Abermilliarden. Mindestens.
Zu diesem Schluss kommt eine neue Studie von Astronomen am California Institute of Technology (Caltech), die noch mehr Beweise dafür liefert, dass Planetensysteme die kosmische Norm sind. Das Team schätzte dies, als es Planeten analysierte, die einen Stern namens Kepler-32 umkreisen - Planeten, die, wie man sagt, für die große Mehrheit in der Galaxie repräsentativ sind und somit als perfekte Fallstudie für das Verständnis der Entstehung der meisten Planeten dienen.
"Es gibt mindestens 100 Milliarden Planeten in der Galaxie - nur unsere Galaxie", sagt John Johnson, Assistenzprofessor für Planetenastronomie bei Caltech und Mitautor der Studie, die kürzlich zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal zugelassen wurde. "Das ist umwerfend."
"Es ist eine erstaunliche Zahl", fügt Jonathan Swift hinzu, Postdoc bei Caltech und Hauptautor der Zeitung. "Grundsätzlich gibt es einen dieser Planeten pro Stern."
Das betreffende Planetensystem, das vom Kepler-Weltraumteleskop entdeckt wurde, enthält fünf Planeten. Die Existenz von zwei dieser Planeten wurde bereits von anderen Astronomen bestätigt. Das Caltech-Team bestätigte die verbleibenden drei, analysierte dann das Fünf-Planeten-System und verglich es mit anderen Systemen, die von der Kepler-Mission gefunden wurden.
Caltech-Astronomen schätzen, dass die Milchstraße mindestens 100 Milliarden Planeten enthält. Bildnachweis: NASA; ESA; Z. Levay und R. van der Marel, STScI; T. Hallas; und A. Mellinger
Die Planeten umkreisen einen Stern, der ein M-Zwerg ist - ein Typ, der etwa drei Viertel aller Sterne in der Milchstraße ausmacht. Die fünf Planeten, die von ähnlicher Größe wie die Erde sind und sich in der Nähe ihres Sterns befinden, sind auch typisch für die Klasse von Planeten, die das Teleskop entdeckt hat, um andere M-Zwerge zu umkreisen, sagt Swift. Daher hat die Mehrheit der Planeten in der Galaxie wahrscheinlich Eigenschaften, die mit denen der fünf Planeten vergleichbar sind.
Auch wenn dieses System möglicherweise nicht eindeutig ist, unterscheidet es sich durch seine zufällige Ausrichtung: Die Umlaufbahnen der Planeten liegen in einer Ebene, die so positioniert ist, dass Kepler das System von der Kante aus betrachtet. Aufgrund dieser seltenen Ausrichtung blockiert jeder Planet das Sternenlicht von Kepler -32, während es zwischen dem Stern und dem Kepler-Teleskop verläuft.
Durch die Analyse der Helligkeitsänderungen des Sterns konnten die Astronomen die Eigenschaften der Planeten wie Größe und Umlaufzeit bestimmen. Diese Orientierung bietet daher die Möglichkeit, das System detailliert zu untersuchen - und da die Planeten die große Mehrheit der Planeten darstellen, von denen angenommen wird, dass sie die Galaxie bevölkern, kann das System Astronomen auch dabei helfen, die Planetenbildung im Allgemeinen besser zu verstehen.
"Normalerweise versuche ich, Dinge nicht als" Rosetta-Steine "zu bezeichnen, aber dies kommt einem Rosetta-Stein so nahe wie alles, was ich gesehen habe", sagt Johnson. "Es ist, als würde man eine Sprache aufschließen, die wir verstehen wollen - die Sprache der Planetenbildung."
Eine der grundlegenden Fragen zur Entstehung von Planeten ist, wie viele es gibt. Wie die Caltech-Gruppe haben andere Astronomenteams geschätzt, dass es ungefähr einen Planeten pro Stern gibt, aber dies ist das erste Mal, dass Forscher eine solche Schätzung vorgenommen haben, indem sie M-Zwerg-Systeme, die zahlreichste bekannte Planetenpopulation, untersucht haben.
Um diese Berechnung durchzuführen, bestimmte das Caltech-Team die Wahrscheinlichkeit, dass ein M-Zwerg-System Kepler-32s Randorientierung liefert. Die Astronomen kombinierten diese Wahrscheinlichkeit mit der Anzahl der Planetensysteme, die Kepler nachweisen kann, und errechneten, dass es durchschnittlich einen Planeten für jeden der rund 100 Milliarden Sterne in der Galaxie gibt. Ihre Analyse berücksichtigt jedoch nur Planeten, die sich in engen Umlaufbahnen um M-Zwerge befinden - nicht die äußeren Planeten eines M-Zwergesystems oder solche, die andere Arten von Sternen umkreisen. Infolgedessen sei ihre Schätzung konservativ. Laut Swift könnte eine genauere Schätzung, die Daten aus anderen Analysen enthält, zu durchschnittlich zwei Planeten pro Stern führen.
M-Zwerg-Systeme wie Kepler-32 unterscheiden sich erheblich von unserem eigenen Sonnensystem. Zum einen sind M-Zwerge kühler und viel kleiner als die Sonne. Kepler-32 hat zum Beispiel die Hälfte der Sonnenmasse und den halben Radius. Die Radien seiner fünf Planeten reichen vom 0,8- bis 2,7-fachen der Erde, und diese Planeten kreisen extrem nahe an ihrem Stern. Das gesamte System passt auf etwas mehr als ein Zehntel einer astronomischen Einheit (die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne) - eine Entfernung, die etwa ein Drittel des Radius der Umlaufbahn von Merkur um die Sonne beträgt. Laut Johnson hat die Tatsache, dass M-Zwerg-Systeme die Anzahl anderer Arten von Systemen bei weitem übersteigen, eine tiefgreifende Auswirkung, nämlich, dass unser Sonnensystem äußerst selten ist. "Es ist nur ein Verrückter", sagt er.
Die Tatsache, dass die Planeten in M-Zwergen-Systemen so nah an ihren Sternen sind, bedeutet nicht unbedingt, dass sie feurige, höllische Welten sind, die für das Leben ungeeignet sind, sagen die Astronomen. Da M-Zwerge klein und kühl sind, ist ihre gemäßigte Zone - auch als „bewohnbare Zone“ bezeichnet - die Region, in der möglicherweise flüssiges Wasser vorhanden ist, auch weiter innen. Obwohl nur der äußerste der fünf Planeten von Kepler-32 in der gemäßigten Zone liegt, haben viele andere M-Zwerge mehr Planeten, die genau in ihrer gemäßigten Zone sitzen.
Wie das Kepler-32-System entstanden ist, weiß noch niemand. Das Team gibt jedoch an, dass die Analyse die möglichen Mechanismen einschränkt. Die Ergebnisse lassen beispielsweise darauf schließen, dass sich alle Planeten weiter vom Stern entfernt als jetzt gebildet haben und im Laufe der Zeit nach innen gewandert sind.
Wie alle Planeten bestanden die Planeten um Kepler-32 aus einer Protoplanetenscheibe - einer Staub- und Gasscheibe, die sich zu Planeten um den Stern zusammenballte. Die Astronomen schätzten, dass die Masse der Scheibe im Bereich der fünf Planeten ungefähr so groß war wie die von drei Jupitern. Andere Studien von Protoplaneten-Scheiben haben jedoch gezeigt, dass sich drei Jupitermassen nicht in einem so kleinen Bereich in der Nähe eines Sterns zusammendrücken lassen, was dem Caltech-Team nahe legt, dass sich die Planeten um Kepler-32 zunächst weiter auseinander gebildet haben.
Eine andere Beweislinie bezieht sich auf die Tatsache, dass M-Zwerge heller und heißer leuchten, wenn sie jung sind, wenn sich Planeten bilden würden. Kepler-32 wäre zu heiß gewesen, als dass Staub - ein Schlüsselbestandteil des Planetenaufbaus - in unmittelbarer Nähe des Sterns existieren könnte. Zuvor hatten andere Astronomen festgestellt, dass der dritte und vierte Planet des Sterns nicht sehr dicht sind, was bedeutet, dass sie wahrscheinlich aus flüchtigen Verbindungen wie Kohlendioxid, Methan oder anderen Eis- und Gasen bestehen, so das Caltech-Team. Diese flüchtigen Verbindungen konnten jedoch in den heißeren Zonen in der Nähe des Sterns nicht existieren.
Schließlich entdeckten die Caltech-Astronomen, dass drei der Planeten Bahnen haben, die auf sehr spezifische Weise miteinander verwandt sind. Die Umlaufzeit eines Planeten ist doppelt so lang wie die des anderen und die des dritten Planeten ist dreimal so lang wie die des letzteren. Planeten fallen nicht sofort nach ihrer Entstehung in diese Art von Anordnung, sagt Johnson. Stattdessen müssen die Planeten ihre Umlaufbahnen weiter vom Stern entfernt begonnen haben, bevor sie sich im Laufe der Zeit nach innen bewegen und sich in ihrer aktuellen Konfiguration niederlassen.
"Sie sehen sich die Architektur dieses ganz besonderen Planetensystems genau an und sind gezwungen zu sagen, dass sich diese Planeten weiter herausgebildet haben und weiter eingezogen sind", erklärt Johnson.
Die Auswirkungen einer Galaxie voller Planeten sind weitreichend, sagen die Forscher. "Es ist vom Standpunkt der Ursprünge aus wirklich grundlegend", sagt Swift, der feststellt, dass die Sterne für das bloße Auge unsichtbar sind, weil M-Zwerge hauptsächlich im Infrarotlicht leuchten. "Kepler hat es uns ermöglicht, zum Himmel aufzublicken und zu wissen, dass es dort draußen mehr Planeten gibt als Sterne, die wir sehen können."
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