Eine Illustration zeigt einen Exoplaneten, der seinen Stern umkreist. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Wissenschaftler haben Daten des inzwischen außer Dienst gestellten NASA-Weltraumteleskops „Kepler“ genutzt, um herauszufinden, dass kleine und große Planeten ganz unterschiedliche Entstehungsgeschichten haben. Das Team stellte fest, dass größere Planeten auf nicht kreisförmigen Umlaufbahnen mit höherer Wahrscheinlichkeit in turbulenteren Heimsystemen entstanden sind.
Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, untersuchte das Team die Umlaufbahnen Tausender extrasolarer Planeten, auch bekannt als „Exoplaneten“. Die Forschergruppe, bestehend aus Wissenschaftlern der University of California, Los Angeles (UCLA), analysierte die Bahnen von Exoplaneten, deren Masse von der des Jupiters bis hin zu der des Mars reichte. Dabei zeigte sich, dass kleinere Planeten tendenziell nahezu kreisförmige Umlaufbahnen aufweisen, während größere Riesenplaneten eher abgeflachte oder elliptische Bahnen besitzen. Diese Erkenntnis wäre bereits für sich genommen bedeutsam gewesen. Da Wissenschaftler jedoch viel über einen Planeten aus seiner Umlaufbahn ableiten können, liefert die Entdeckung auch wichtige Hinweise darauf, wie Planeten unterschiedlicher Größe entstehen.
„Was wir herausgefunden haben, ist, dass Planeten in der Größe von Neptun von fast immer kreisförmigen Umlaufbahnen zu sehr oft elliptischen Bahnen wechseln“, sagte der Teamleiter und UCLA-Forscher Gregory Gilbert in einer Stellungnahme.
Während seiner Betriebszeit zwischen 2009 und 2018 beobachtete Kepler etwa 150.000 Sterne, um die winzigen Helligkeitsschwankungen zu erfassen, die entstehen, wenn ein Planet aus unserer kosmischen Perspektive vor seinem Stern vorbeizieht – ein Phänomen, das als „Transit“ bezeichnet wird. Mit dieser Methode und durch die Analyse der Lichtkurven dieser Sterne entdeckte Kepler Tausende von Exoplaneten. Das Team der UCLA nutzte 1.600 dieser Lichtkurven, um Informationen über die Umlaufbahnen bestimmter Planeten zu gewinnen. Dieser Prozess erforderte große Sorgfalt, die Entwicklung eines speziellen Visualisierungstools und die manuelle Überprüfung jeder Lichtkurve durch Paige Entrica, eine Studentin der UCLA.
„Wenn Sterne sich wie langweilige Glühbirnen verhalten würden, wäre dieses Projekt zehnmal einfacher gewesen“, sagte Erik Petigura, ein Physik- und Astronomieprofessor an der UCLA und Mitglied des Teams. „Aber die Realität ist, dass jeder Stern und seine Planetenansammlung ihre eigenen Eigenheiten haben. Erst als wir jede dieser Lichtkurven genau untersucht hatten, konnten wir unseren Ergebnissen vertrauen.“
Eine Illustration zeigt einen Exoplaneten, der seinen Stern umkreist. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Die sorgfältige Analyse zeigte eine deutliche Trennung zwischen Planeten mit kreisförmigen Umlaufbahnen und solchen mit exzentrischeren Bahnen.
Es schien eine Vielzahl kleiner Planeten gegenüber großen Planeten zu geben, und es zeigte sich eine Tendenz, dass Riesenplaneten eher um Sterne entstehen, die mit Elementen angereichert sind, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind – wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Eisen. Astronomen bezeichnen diese Elemente gemeinsam als „Metalle“.
„Kleine Planeten sind häufig; große Planeten sind selten. Große Planeten benötigen metallreiche Sterne, um sich zu bilden; kleine Planeten nicht“, erklärte Gilbert. „Kleine Planeten haben geringe Exzentrizitäten, während große Planeten stark exzentrische Umlaufbahnen aufweisen.“
Die Beobachtung eines Zusammenhangs zwischen der Exzentrizität von Planetenbahnen und der Häufigkeit von Metallen deutete dem Team darauf hin, dass es zwei Wege der Planetenentstehung gibt: einen für große Planeten und einen für kleine.
„An dieser Stelle eine Veränderung in der Exzentrizität der Umlaufbahnen zu beobachten, zeigt uns, dass es wirklich einen großen Unterschied gibt, wie diese Riesenplaneten entstehen im Vergleich zu kleineren Planeten wie der Erde“, sagte Gilbert. „Das ist die zentrale Erkenntnis, die aus dieser Arbeit hervorgeht.“
Eine Illustration zeigt einen Exoplaneten, der seinen Stern umkreist. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Aktuell gehen Wissenschaftler davon aus, dass Planeten in ringförmigen Wolken aus Gas und Staub entstehen, die als „protoplanetare Scheiben“ bezeichnet werden. Diese Scheiben umgeben junge Sterne und bilden die Grundlage für die Entstehung von Welten, wenn immer größere Fragmente innerhalb der Scheiben aufeinandertreffen und verschmelzen.
Dieser Prozess könnte einen erdähnlichen Planeten von ähnlicher Größe und Masse wie die Erde entstehen lassen. Bildet sich jedoch ein großer Planetenkern, der etwa die zehnfache Masse unseres Planeten aufweist, kann dieser Gas ansammeln und so einen Gasriesen wie Jupiter oder Saturn formen.
Planeten, die größer als Neptun sind, gelten als relativ selten. Der Grund dafür liegt in der schnellen „runaway mass accretion“, die notwendig ist, um große Mengen an Gas anzusammeln. Dieser Prozess tritt häufiger bei Sternen auf, die mit Metallen angereichert sind.
Wissenschaftler vermuten, dass große Planeten auf exzentrischen Umlaufbahnen wahrscheinlich chaotischere Entstehungsprozesse durchlaufen. Sie interagieren gravitativ mit ihren Geschwisterplaneten und landen dadurch auf nicht kreisförmigen Bahnen. Diese Planeten „rütteln“ ihre Planetensysteme auf und verursachen mehr Turbulenzen. Dies führt zu Kollisionen und Verschmelzungen zwischen Planeten, die größer als die Erde sind, wodurch mehr große Planeten entstehen.
„Es ist bemerkenswert, was wir mit dem Kepler-Weltraumteleskop über die Umlaufbahnen von Planeten um andere Sterne lernen konnten“, sagte Petigura. „Das Teleskop wurde nach Johannes Kepler benannt, der vor vier Jahrhunderten als erster Wissenschaftler erkannte, dass die Planeten in unserem Sonnensystem sich auf leicht elliptischen statt kreisförmigen Bahnen bewegen. Seine Entdeckung war ein wichtiger Moment in der Menschheitsgeschichte, denn sie zeigte, dass die Sonne und nicht die Erde im Zentrum des Sonnensystems steht.“
„Ich bin sicher, Kepler selbst wäre begeistert zu erfahren, dass ein nach ihm benanntes Teleskop die feinen Formen der Umlaufbahnen erdgroßer Planeten um andere Sterne vermessen hat.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 13. März in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
