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Building planetary systems: linking architectures with formation

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Exoplanetensysteme – komplexer als bisher angenommen

Exoplaneten, Planeten jenseits unseres Sonnensystems, wurden erstmals in den 1990er Jahren entdeckt; und während die meisten von ihnen um Sterne kreisen, schweben auch einige scheinbar frei im All. Auf der Basis neuer Beobachtungen bringt nun das Projekt BuildingPlanS Licht in die Vielfalt der Bahnkonfigurationen dieser Planetensysteme.

Weltraum

Die meisten der bereits gefundenen tausenden Exoplaneten befinden sich innerhalb einer relativ kleinen Region unserer Galaxie. Mithilfe verbesserter Erfassungsverfahren könnten die Entdeckungen innerhalb eines Jahrzehnts um das Zehnfache ansteigen und uns mehr über ihre Orbitalkonfigurationen oder „Planetenarchitekturen“ verraten. Für Richard Alexander vom Projekt BuildingPlanS gilt, dass „fast jede Planetenarchitektur, die man sich vorstellen kann, auch irgendwo existiert; und dabei ähneln die meisten nicht unserem Sonnensystem!“ Aber was bestimmt diese Architekturen? Das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt BuildingPlanS erkundete, wie Exoplanetensysteme entstanden und wie dadurch die heute zu beobachtenden Architekturen beeinflusst werden. „Wir profitierten von neuen astronomischen Beobachtungen, die uns zeigten, dass in diesen Systemen mehr als bisher gedacht passiert. Es wurde zum Beispiel angenommen, dass die planetenbildenden Scheiben glatt und strukturlos sind; aber in Wirklichkeit sind sie stark strukturiert und weisen Ringe, Lücken oder Spiralen auf“, erläutert Alexander, Professor für Theoretische Astrophysik an der Universität Leicester, an der das Projekt angesiedelt ist.

Planetenarchitekturen in Umkehrtechnik erforschen

Planeten bilden sich in den gasreichen Scheiben rund um junge Sterne, aber nach ihrer Entstehung bewirken die Wechselwirkungen zwischen den Planeten und diesen „Mutterscheiben“, dass die Planeten auf verschiedene Bahnen wandern. „Während wir den Beginn der Planetenbildung, die protoplanetaren Scheiben, und die Endprodukte beobachten können, kann das meiste, was in der Zwischenzeit geschieht, nicht beobachtet werden. Das liegt an den dabei geltenden zeitlichen Größenordnungen und an der Tatsache, dass die Zwischenprodukte – im Wesentlichen große Felsen – nicht ausreichend Licht aussenden, das wir sehen könnten“, erklärt Alexander. BuildingPlanS erstellte Computermodelle, um diesen Zwischenprozess zu simulieren. Bei den meisten Modellen handelte es sich um hydrodynamische Modelle von Planeten und Gas-/Staubscheiben, wobei sowohl öffentliche Simulationscodes, insbesondere PHANTOM, als auch die eigene Software des Teams zum Einsatz kamen. Die Daten stammen von Observatorien wie zum Beispiel ALMA, ESO VLT und dem Hubble-Teleskop. Das Team legte die anfänglichen Scheibenparameter wie Masse, räumliche Ausdehnung und Temperatur sowie die Bahnen und Eigenschaften der Sterne und Planeten fest und simulierte dann die Entwicklung des Planetensystems. Außerdem wurde das System anhand von Berechnungen des Strahlungstransfers „nachbearbeitet“, um zu sehen, wie es in Teleskopen erscheinen würde. BuildingPlanS profitierte dabei von neuen Daten des ALMA-Teleskops, die Hinweise auf Exoplanetentypen gaben, deren Existenz bisher im Dunklen lag. Dabei trat ein erstes wichtiges Ergebnis über Planetensysteme wie Elias 24 zutage. Das Team konnte zeigen, dass die beobachtete Scheibenstruktur wahrscheinlich auf einen Riesenplaneten in der äußeren Scheibe jenseits von Neptun zurückzuführen ist. Andere Ergebnisse betrafen fehlausgerichtete Scheiben – Scheiben, die nicht auf eine einzige Ebene beschränkt sind. „Zu Projektbeginn hielten die meisten Leute diese Phänomene für etwas Neues, aber unsere Arbeit zeigt, dass sie tatsächlich relativ häufig vorkommen“, merkt Alexander an. Ein Ableger des Projekts war die Arbeit am System HD 143006. Die Modelle des Teams deuten darauf hin, dass es sich um einen einzelnen Planeten handelt, der zwei Sterne umkreist. In diesem Fall ist die Umlaufbahn der Sterne umeinander nicht mit der des Planeten ausgerichtet. Sollte sich diese Tatsache bestätigen, wäre dies das erste bekannte Beispiel eines sogenannten „fehlausgerichteten zirkumbinären Planeten“.

Schöne neue Welt

Die Projektergebnisse veranlassten Alexander zu zwei übergeordneten Schlussfolgerungen als Grundlage zukünftiger Bemühungen. Erstens, dass für die frühe Bildung von Planetensystemen Staub sehr wichtig ist. Alexander zufolge „bildet er nicht nur die Bausteine der Planeten, sondern beeinflusst er auch direkt die Entwicklung der Gasscheibe.“ Der zweite Kernpunkt lautet, dass auch die Umgebung der Planetensysteme entscheidend wichtig ist, was bedeutet, dass den Forschenden wesentliche Effekte entgehen könnten, wenn sie Systeme zur Vereinfachung von Studien isoliert behandeln. Mit Blick in die Zukunft sagt Alexander: „Ich denke, die größten Entwicklungssprünge werden jetzt durch neue Beobachtungen angestoßen, insbesondere vom James-Webb-Weltraumteleskop, an dem unser Team auch dank BuildingPlanS beteiligt ist.“

Schlüsselbegriffe

BuildingPlanS, Planet, Gas, Scheibe, ALMA, Observatorien, Sonnensystem, Sterne, Umlaufbahnen, Simulation

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