Wenn sich Planeten aus einer riesigen rotierenden Gaswolke bilden, in deren Zentrum sich ein zentraler Stern dreht, wie kommt ein Planet in eine Richtung, die seinem Stern entgegengesetzt ist, in die Umlaufbahn?
Astronomen haben seit 1995 mehr als 500 extrasolare Planeten entdeckt - Planeten, die andere Sterne als die Sonne umkreisen. Erst in den letzten Jahren haben Astronomen beobachtet, dass sich der Stern in einigen dieser Systeme in eine Richtung dreht und der Planet umkreist In die andere Richtung. Das scheint merkwürdig, denn es wird angenommen, dass sich Planeten aus riesigen rotierenden Gas- und Staubwolken bilden, in deren Mitte sich ein ähnlich rotierender Stern befindet.
Bekannte Sterne, die dies tun, sind „heiße Jupiter“ - riesige Planeten, die so massereich sind wie der größte Planet in unserem Sonnensystem - aber sehr nahe an ihrem Zentralstern kreisen. Details einer Studie, die das Phänomen erklärt, erscheinen am 12. Mai 2011 in der Zeitschrift Natur.
Künstlerische Darstellung eines heißen Jupiters. Bildnachweis: NASA
Frederic A. Rasio, ein theoretischer Astrophysiker an der Northwestern University, ist leitender Autor der Arbeit. Er sagte:
Das ist wirklich seltsam und noch seltsamer, weil der Planet dem Stern so nahe ist. Wie kann man sich in die eine Richtung drehen und die andere genau in die andere Richtung umkreisen? Es ist verrückt. Es verletzt so offensichtlich unser grundlegendstes Bild der Planeten- und Sternentstehung.
Als Rasio und sein Forschungsteam herausfanden, wie diese riesigen Planeten ihren Sternen so nahe kamen, erkundeten sie ihre umgedrehten Umlaufbahnen. Mithilfe von Computersimulationen in großem Maßstab können sie als erste modellieren, wie sich eine heiße Jupiter-Umlaufbahn in die entgegengesetzte Richtung wie der Stern drehen kann. Gravitationsstörungen durch einen viel weiter entfernten Planeten können dazu führen, dass der heiße Jupiter nach diesen Simulationen sowohl einen „falschen Weg“ als auch eine sehr enge Umlaufbahn hat.
Sobald Sie mehr als einen Planeten erhalten, stören sich die Planeten gegenseitig gravitativ. Dies wird interessant, da dies bedeutet, dass die Umlaufbahn, auf der sie sich gebildet haben, nicht unbedingt die Umlaufbahn ist, auf der sie für immer bleiben werden. Diese gegenseitigen Störungen können die Umlaufbahnen verändern, wie wir in diesen extrasolaren Systemen sehen.
Bei der Erklärung der besonderen Konfiguration eines extrasolaren Systems haben die Forscher auch zu unserem allgemeinen Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Planetensystems beigetragen und darüber nachgedacht, was ihre Erkenntnisse für unser Sonnensystem bedeuten, das aus unserer Sonne, der Erde und anderen Planeten besteht.
Wir hatten gedacht, dass unser Sonnensystem typisch für das Universum ist, aber vom ersten Tag an hat in den extrasolaren Planetensystemen alles komisch ausgesehen. Das macht uns wirklich zum Merkwürdigen. Das Kennenlernen dieser anderen Systeme vermittelt einen Eindruck davon, wie speziell unser System ist. Wir scheinen auf jeden Fall an einem besonderen Ort zu leben.
Die Physik, die das Forscherteam zur Lösung des Problems verwendete, sei im Grunde genommen die Orbitalmechanik, sagte Rasio - dieselbe Art von Physik, die die NASA für Satelliten rund um das Sonnensystem verwendet.
Smadar Naoz, Postdoc-Stipendiat am Northwestern und Gruber-Stipendiat, sagte:
Es war ein schönes Problem, weil die Antwort so lange für uns da war. Es ist die gleiche Physik, aber niemand hat bemerkt, dass sie heiße Jupiter und umgedrehte Umlaufbahnen erklären kann.
Rasio fügte hinzu:
Die Berechnungen waren weder offensichtlich noch einfach. Einige der Annäherungen, die in der Vergangenheit von anderen verwendet wurden, stimmten nicht ganz. Wir haben es zum ersten Mal seit 50 Jahren wieder richtig gemacht, zum großen Teil dank der Hartnäckigkeit von Smadar. Man braucht einen klugen, jungen Menschen, der zuerst die Berechnungen auf Papier durchführen und ein vollständiges mathematisches Modell entwickeln und es dann in ein Computerprogramm umwandeln kann, das die Gleichungen löst. Nur so können wir reelle Zahlen erzeugen, die mit den tatsächlichen Messungen der Astronomen verglichen werden können.
In ihrem Modell nehmen die Forscher einen sonnenähnlichen Stern und ein System mit zwei Planeten an. Der innere Planet ist ein Gasriese, der dem Jupiter ähnlich ist, und anfangs ist er weit vom Stern entfernt, auf dem sich Planeten vom Typ Jupiter bilden sollen. In diesem simulierten System ist auch der äußere Planet ziemlich groß und vom Stern weiter entfernt als der erste Planet. Es interagiert mit dem inneren Planeten, stört ihn und erschüttert das System.
Die Auswirkungen auf den inneren Planeten sind schwach, bauen sich jedoch über einen sehr langen Zeitraum auf, was zu zwei signifikanten Änderungen im System führt. Erstens beginnt der innere Gasriese sehr nahe an seinem Stern zu kreisen. Zweitens verläuft die Umlaufbahn dieses Planeten in die entgegengesetzte Richtung der Drehung des Zentralsterns. Die Änderungen treten je nach Modell auf, weil die beiden Bahnen Drehimpulse austauschen und die innere Energie durch starke Gezeiten verliert.
Die Gravitationskopplung zwischen den beiden Planeten bewirkt, dass der innere Planet in eine exzentrische, nadelförmige Umlaufbahn übergeht. Sie muss viel Drehimpuls verlieren, indem sie ihn auf den äußeren Planeten wirft. Die Umlaufbahn des inneren Planeten schrumpft allmählich, weil die Energie durch Gezeiten abgeführt wird, sich dem Stern nähert und einen heißen Jupiter erzeugt. Dabei kann die Umlaufbahn des Planeten kippen.
Nur etwa ein Viertel der Beobachtungen von Astronomen an diesen heißen Jupitersystemen zeigt Umlaufbahnen. Das nordwestliche Modell muss in der Lage sein, sowohl gekippte als auch nicht gekippte Bahnen zu erzeugen, und das tut es, sagte Rasio.
Fazit: Eine Studie, die die Umlaufbahnen heißer Jupiter-ähnlicher Planeten erklärt, erscheint am 12. Mai im Tagebuch Natur. Ein Forscherteam der Northwestern University verwendete die Orbitalmechanik, um das Phänomen zu erklären. Ihre Arbeit zeigt, dass die Funktionsweise unseres eigenen Sonnensystems einzigartig ist.