Planetensystem mit besonderem Dreh

Die Planeten, die um den Stern Kepler-56 kreisen, sind ungewöhnlich: Ihre Bahnachsen ist gegen die Rotationsachse des Sterns geneigt. Ein solches System war bisher unbekannt.

17. Oktober 2013

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Leitung des Ames Research Center der amerikanischen Weltraumagentur NASA hat erstmals ein Planetensystem entdeckt, bei dem die Rotationsachse des Zentralsterns gegen die Bahnachsen seiner Planeten geneigt ist. An der Studie, die morgen im Fachmagazin Science veröffentlicht wird, war auch Saskia Hekker vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung beteiligt. Die neuen Ergebnisse bringen frischen Wind in eine der ältesten Diskussionen der Exoplanetenforschung: Wie entstehen Heiße Jupiter, riesige Gasplaneten, die ihren Zentralstern in kleinem Abstand umkreisen und dadurch hohe Oberflächentemperaturen aufweisen? Die Prozesse, die das jetzt untersuchte Planetensystem formten, könnten auch zur Entstehung der Heißen Jupiter beigetragen haben.

Schematische Darstellung des Kepler-56-Systems

An der Oberfläche der großen Gasplaneten in unserem Sonnensystem, Jupiter und Saturn, herrschen eisige Temperaturen. Grund dafür ist der gewaltige Abstand von mehr als 580 Millionen Kilometern, der sie von der Sonne trennt. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass auch in anderen Sternensystemen Riesenplaneten
nur in großer Entfernung vom Zentralstern existieren können. Als vor fast 20 Jahren der erste Heiße Jupiter entdeckt wurde, warf dies viele Fragen auf, die bis
heute unbeantwortet sind. So ist es nach wie vor rätselhaft, warum die Bahnachse der heißen Riesen häufig gegen die Rotationsachse ihres Sterns geneigt ist.
Könnte diese Anordnung einen Hinweis auf ihre Entstehung liefern? Klarheit erhoffen sich viele Forscher aus der genauen Beobachtung und Beschreibung von
Mehrplanetensystemen – auch solchen, in denen keine Heißen Jupiter vorkommen. Denn falls der Prozess, in dem Heiße Jupiter entstehen, tatsächlich eine Neigung der Achsen gegen einander bewirkt, dürfte diese Konstellation in Mehrplanetensystemen ohne Heiße Jupiter nicht auftreten.

Mit Hilfe von Daten des NASA-Weltraumteleskops Kepler haben Forscher nun den Gegenbeweis entdeckt: ein Mehrplanetensystem ohne Heißen Jupiter, das die
ungewöhnliche „Achsenbeziehung“ aufweist. Der Zentralstern des Systems, Kepler-56, ist ein Roter Riese und etwa viermal so groß wie die Sonne. Sein
Abstand von der Erde beträgt 3000 Lichtjahre. „Dieser Stern ist in vielerlei Hinsicht bemerkenswert“, sagt Daniel Huber, Erstautor der neuen Studie, der als NASA
Postdoctoral Program Fellow am Ames Research Center in Moffett Field (Kalifornien) forscht. Huber und seine Mitstreiter analysierten die Frequenzen, mit denen Kepler-56 schwingt. Dabei stellten sie fest, dass die Rotationsachse des Sterns um etwa 45 Grad gegen die Verbindungslinie zwischen Stern und Erde geneigt ist. „Das war eine große Überraschung“, so Huber. „Wir wussten ja bereits, dass zwei Planeten den Stern begleiten. Ihre Bahnachsen konnte somit nicht parallel zur Rotationsachse des Sterns sein.“

Beobachtungen am W.M. Keck Observatorium auf dem Berg Manua Kea auf Hawaii fügten ein weiteres Puzzlestück hinzu. Die Wechselwirkung der beiden
Planeten bewirkt kleine Schwankungen im Zeitpunkt, zu dem sie – von der Erde aus betrachtet - den Zentralstern passieren. „Ein Vergleich dieser Abweichungen mit numerischen Simulationen ergab, dass die Bahnachsen der Planeten parallel verlaufen“, so Josh Carter, Hubble Fellow am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (Massachusetts). „Aus den Daten des Keck-Teleskops ließ sich zudem die Existenz eines dritten, sehr großen Planeten ablesen, der den Stern in großem Abstand umkreist“, fügt er hinzu. Rechnungen bestätigten, dass die Ausrichtungen der Bahnachsen der beiden kleineren Planeten durch den Einfluss des größeren fest gekoppelt sind. Dadurch kommt es regelmäßig vor, dass sie gegen die Rotationsachse des Sterns geneigt sind. Ein solches Szenario, in dem diese Achsen dynamisch gegeneinander gekippt sind, hatten Forscher vor kurzem theoretisch vorhergesagt. Es konnte nun zum ersten Mal beobachtet werden.

Indem die Wissenschaftler die Daten des Keck- und des Kepler-Teleskops in Beziehung setzten, konnten sie die Radien, Massen und Dichten des Zentralsterns
und der beiden kleineren Planeten präzise bestimmen. „Die neue Studie belegt zudem, dass die Wissenschaftler, die gemeinsam Daten des Kepler-Teleskops
auswerten, Expertenwissen aus vielen verschiedenen Spezialgebieten vereinen“, so John Johnson, Professor für Astronomy am Harvard-Smithsonian Center for
Astrophysics. „All diese Sichtweisen waren zwingend notwendig, um den Aufbau und die Entstehungsgeschichte dieses faszinierenden Planetensystems aufzudecken“, ergänzt er.

Fast 20 Jahre nach der Entdeckung des ersten Heißen Jupiter markieren die jüngsten Erkenntnisse über das Kepler-56-System nun einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung einer einheitlichen Erklärung, wie diese riesigen Planeten in großer Sternnähe entstehen. Die Forscher hoffen nun darauf, dass nach und nach immer mehr Mehrplanetensysteme entdeckt werden. Deren Architektur zu entschlüsseln, könnte dann klären, ob der Entstehungsprozess des Kepler-56-
Systems auch für Heiße Jupiter-Systeme in Frage kommt.

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