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Eine Illustration des Systems TOI-1408 mit seinen beiden Planeten TOI-1408 c und TOI-1408 b. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wissenschaftler haben entdeckt, dass eine entfernte „heiße Jupiter“-Welt einen planetarischen Begleiter hat. Die beiden Planeten befinden sich in einem rhythmischen Tanz um den Stern TOI-1408, der 455 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

TOI-1408 b, der erst im vergangenen Jahr von der NASA-Sonde TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) entdeckt wurde, ist ein Gasriese, der mehr als doppelt so groß ist wie Jupiter und fast die doppelte Masse des Gasriesen im Sonnensystem hat. Er umkreist seinen Mutterstern in einer Entfernung von 5,3 Millionen Meilen, was etwa 6 % der Entfernung zwischen der Erde und der Sonne entspricht. Das bedeutet, dass TOI-1408 b eine Umkreisung in nur 4,4 Erdtagen durchläuft.

Aufgrund dieser Größe und der Nähe zu seinem Stern wird TOI-1408 b als „heißer Jupiter“ eingestuft, aber bemerkenswerterweise ist sein neu entdeckter Begleiter sogar noch näher am Mutterstern des Systems. Der Begleiter, TOI-1408 c, ist nur 3,3 Millionen Meilen von seinem Stern entfernt, was bedeutet, dass er eine Umlaufbahn in 2,2 Erdtagen zurücklegt. Doch dieser neu entdeckte Planet ist kein heißer Jupiter.

Mit einer Breite, die etwa doppelt so groß ist wie die unseres Planeten, und einer Masse, die achtmal so groß ist wie die der Erde, wird TOI-1408 c als „Super-Erde“ oder „Sub-Neptun“ eingestuft. Im Gegensatz zu TOI-1408 b, der größtenteils aus Gas besteht, dürfte TOI-1408 c aus einer Mischung aus Gas und Gestein bestehen.

„Sowohl TOI-1408 b als auch TOI-1408 c sind im Vergleich zu den Planeten in unserem Sonnensystem unglaublich nahe an ihrem Mutterstern“, sagt die Hauptautorin der Studie, Judith Korth von der Universität Lund, gegenüber kosmischeweiten.de. „Stellen Sie sich unser Sonnensystem vor, aber stattdessen kreist Jupiter fast alle vier Tage sehr nahe an der Sonne vorbei, was einem Zwanzigstel der Periode von Merkur entspricht.

„Das ist schon sehr nahe am Stern, und dennoch haben wir einen weiteren Planeten entdeckt, der noch näher am Stern ist und der stark mit seinem großen Nachbarn wechselwirkt, was dazu führt, dass ihre Bahnen in einer Weise wackeln, die wir noch nie gesehen haben.“

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Korth erklärte, dass es zwar überraschend sei, im System TOI-1408 einen extrasolaren Planeten oder „Exoplaneten“ zu finden, der sich näher an seinem Stern befindet als TOI-1408 b, dass aber die Entdeckung eines Gasriesen, dessen Umlaufbahn gestört ist, noch merkwürdiger sei.

„Einen heißen Jupiter wie TOI-1408 b zu finden, dessen Umlaufbahn gestört ist, ist schon interessant, weil es für so massive Planeten ungewöhnlich ist. Aber die Entdeckung, dass es einen noch kleineren Planeten gibt, der den großen Planeten in seinen Bahnen bewegt, war noch unerwarteter“, fuhr sie fort. „Diese Entdeckung stellt einige unserer Annahmen darüber in Frage, wie sich solche Planetensysteme bilden, da wir normalerweise keine kleineren, masseärmeren Planeten innerhalb der Umlaufbahn eines heißen Jupiters finden.“

Rhythmisch tanzende Welten

Allerdings macht noch etwas anderes dieses System außergewöhnlich: Seine beiden Planeten sind in einen fein abgestimmten rhythmischen Tanz verwickelt. Und das, obwohl der kleinere TOI-1408c an seinem heißen Jupiter-Tanzpartner zerrt. Das TOI-1408-System scheint eine stabile Konfiguration zu haben, die es den beiden Planeten erlaubt, in engen Bahnen zu koexistieren.

„Die Dynamik des Systems ist sehr fein abgestimmt, was wahrscheinlich auf seine Entstehungsgeschichte zurückzuführen ist. Die Umlaufbahnen der Planeten haben ein Periodenverhältnis von fast 2:1, d. h. auf zwei Umläufe von TOI-1408c folgt ein Umlauf von TOI-1408b um den Stern“, so Korth. „Das könnte dazu beitragen, dass ihre Bahnen trotz ihrer Nähe zueinander und zum Stern stabil sind.“

Sie fügte hinzu, dass der genaue Grund für die Entstehung des Systems TOI-1408 wahrscheinlich die Bewegung der Planeten durch die Gas- und Staubscheibe ist, die den Stern in seiner Anfangszeit umgab, die sogenannte „protoplanetare Scheibe“, in der sich die Planeten bildeten.

Eine hypothetische Visualisierung des TOI-1408-Systems mit TOI-1408 c hervorgehoben (Bildnachweis: NASA/Robert Lea (erstellt mit Canva))

TESS hat sich zu einem außergewöhnlichen Exoplanetenjäger entwickelt und seit seinem Start im Jahr 2018 über 7.000 mögliche Exoplaneten entdeckt. Der Exoplanetenjäger der NASA hat 200.000 der hellsten Sterne in der Nähe der Sonne untersucht und Planeten entdeckt, wenn sie die Oberfläche ihrer Muttersterne kreuzen oder „durchqueren“, was eine winzige Delle im Sternenlicht verursacht.

Der Stern TOI-1408 ist genau so ein Stern. Mit der 1,3-fachen Masse der Sonne und der 1,5-fachen Breite unseres Sterns ist TOI-1408 etwas heißer und heller als unsere Sonne. Während TESS sowohl TOI-1408 b als auch TOI-1408 c entdeckte, war der kleinere Planet etwas schwieriger zu entdecken.

TOI-1408 c war schwieriger zu entdecken, weil seine Transits – wenn er aus unserer Sicht vor dem Stern vorbeizieht – viel flacher sind, was bedeutet, dass er im Vergleich zu TOI-1408 b weniger Licht vom Stern blockiert“, sagte Korth. „Außerdem sind die Transits von TOI-1408 c von signifikanten Transit-Timing-Variationen (TTVs) betroffen, was bedeutet, dass der Zeitpunkt seiner Transits nicht so vorhersehbar ist wie der von TOI-1408 b.“

Eine künstlerische Illustration, die das Konzept der TESS-Mission zeigt. (Bildnachweis: MIT)

Korth fügte hinzu, dass diese TTVs durch die Gravitationswechselwirkung zwischen den beiden Planeten verursacht werden, und sie bedeuteten, dass eine anspruchsvollere Analyse erforderlich war, um TOI-1408 c zu entdecken.

„Wir haben TOI-1408 c entdeckt, indem wir die Lichtkurven des TESS-Satelliten sorgfältig auf TTVs des größeren Planeten TOI-1408 b analysiert haben“, fuhr sie fort. „Diese TTVs könnten durch gravitative Wechselwirkung mit einem anderen Planeten entstehen, aber dem TESS-Team war kein anderer Planet bekannt.“

Das Team entdeckte ein Transitsignal, das von einem anderen kleineren Planeten mit einer kürzeren Umlaufzeit als der des bekannten Planeten stammen könnte. Um die Natur des Kleinplanetenkandidaten weiter zu charakterisieren, verwendete das Team eine photodynamische Modellierung, die sowohl die Transitlichtkurven als auch die Radialgeschwindigkeitsdaten kombiniert, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Planeten zu berücksichtigen.

Das Team ist mit dem System TOI-1408 noch nicht fertig, denn es gibt Hinweise darauf, dass es mindestens drei Welten enthalten könnte. Falls es jedoch noch weitere Planeten in dem System gibt, ist es unwahrscheinlich, dass sie sich innerhalb der Umlaufbahn von TOI-1408 c befinden.

„Es gibt Hinweise darauf, dass es einen dritten, weiter entfernten Planeten in dem System geben könnte, basierend auf Radialgeschwindigkeitsdaten, die einen möglichen langperiodischen Trend zeigen. Für Planeten, die noch näher als TOI-1408 c liegen, haben wir jedoch bisher keine Hinweise gefunden“, so Korth. „TOI-1408 c ist dem Stern bereits sehr nahe, und es wäre für einen anderen Planeten schwierig, darin eine stabile Umlaufbahn zu halten.“

„Das System TOI-1408 ist unglaublich faszinierend, daher planen wir natürlich, es weiter zu untersuchen. Wir wollen den potenziellen dritten Planeten besser verstehen und die langfristige Stabilität des Systems untersuchen“, so Korth abschließend. „Wir werden aber auch weiterhin andere Planetensysteme erforschen.

Jede neue Entdeckung wie TOI-1408 c trägt dazu bei, unsere Modelle und unser Verständnis der Planetenentstehung zu verfeinern“, so Korth. Die Forschungsergebnisse des Teams sind auf dem Paper Repository arXiv.