Eine Aufreihung der Welten von TRAPPIST-1 ist in dieser künstlerischen Darstellung zu sehen.(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Wissenschaftler haben möglicherweise endlich die Geschichte des verlockenden TRAPPIST-1-Systems enthüllt, einer verwickelten Ansammlung von sieben Welten, die etwa 40 Lichtjahre von uns entfernt sind. Viele Astronomen und Astrobiologen sind der Meinung, dass diese Welten eine vielversprechende Chance bieten, Leben außerhalb des Sonnensystems zu finden – aber sie weisen auch merkwürdige Umlaufmuster auf.
Die neu skizzierte Geschichte von TRAPPIST-1 könnte endlich erklären, wie diese Muster zustande gekommen sind.
Wenn sich Planeten um einen jungen Stern bilden, treten ihre Umlaufzeiten oft in „Resonanz“ zueinander. Ein alltägliches Beispiel für eine Resonanz ist das Anschieben einer Person auf einer Spielplatzschaukel – wenn man den Zeitpunkt des Anschiebens so wählt, dass er mit der Eigenfrequenz der Schaukel übereinstimmt, etwa wenn die Schaukel gerade wieder nach unten geht, würde das Anschieben die Größe des Schaukelbogens verstärken.
Auch Planeten befinden sich oft in Resonanz zueinander. Zum Beispiel kann ein innerer Planet für jede Umrundung eines äußeren Planeten genau zweimal umlaufen. Dies ist eine 2:1-Resonanz, und so wie das Anschieben eines Kindes auf einer Schaukel die Geschwindigkeit des Schaukelns verstärkt, so macht der Austausch von Gravitationsenergie zwischen Planeten, die in Resonanz zueinander stehen, ihre Umlaufbahnen in der Regel instabil und verstärkt die Umlaufzeiten, bis sich die Planeten schließlich aus der Resonanz zueinander bewegen. Eine weitere häufige Planetenresonanz ist 3:2.
Aus dem oben genannten Grund werden Planetenresonanzen oft im Laufe der Zeit instabil, wie zum Beispiel in unserem Sonnensystem – aber nicht immer. Einige Planetensysteme schaffen es, ihre Resonanzmuster beizubehalten, und TRAPPIST-1 ist eines dieser Systeme.
Systeme mit stabilen Resonanzen werden zweifellos durch die Kompaktheit des Systems begünstigt; die sieben Welten von TRAPPIST-1 sind über weniger als 8 Millionen Kilometer verteilt, und sie würden alle problemlos mehrfach in die Umlaufbahn des Merkurs passen.
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TRAPPIST-1s äußere drei Planeten – mit f, g und h bezeichnet – befinden sich in einer Kette von 3:2-Resonanzen.
„Die äußeren Planeten verhalten sich sozusagen richtig, mit den einfacheren erwarteten Resonanzen“, sagte Gabriele Pichierri, ein Planetenforscher am Caltech, in einer Erklärung. „Aber die inneren haben Resonanzen, die ein bisschen pikanter sind.“
Die Umlaufperioden der beiden innersten Planeten, b und c, befinden sich beispielsweise in einer 8:5-Resonanz, was bedeutet, dass der Planet b für jeweils fünf Umläufe des Planeten c achtmal umläuft, während die Planeten c und d in einer 5:3-Resonanz sind.
Wie sind also diese komplexen Arrangements entstanden?
Pichierri ist der Hauptautor einer neuen Forschungsarbeit, die sich mit der frühen Geschichte von TRAPPIST-1 befasst, um herauszufinden, wie seine Planeten zu dieser heiklen Konfiguration gekommen sind. Das Team fand heraus, dass eine sich bewegende protoplanetare Scheibe aus Gas und Staub in Kombination mit starken Drehmomenten die Planeten umherschob.
Pichierri und sein Team teilten das TRAPPIST-1-System in zwei Untergruppen auf – die inneren Planeten b, c, d und e sowie die äußeren Planeten f, g und h. (Im Gegensatz zu unserem Sonnensystem, in dem die äußeren Planeten Gasriesen sind, handelt es sich bei den äußeren Planeten von TRAPPIST-1 um Gesteinswelten). Bei der Modellierung wurden drei Phasen in der Entwicklung des Systems ermittelt.
Das hat das Team herausgefunden.
In der ersten Phase beginnen die vier innersten Planeten ihr Leben in 3:2-Resonanzen zueinander, d. h. b und c befinden sich in einer 3:2-Bahnresonanz, ebenso wie c und d sowie d und e. Als sich die inneren Planeten aus dem Material der protoplanetaren Scheibe bildeten und ihr aufkeimender roter Zwergstern die Kernfusion in seinem Kern zündete und Strahlung erzeugte, die die Scheibe aufzulösen begann, zog sich der innere Rand der Scheibe nach außen zurück.
In der zweiten Phase wurde der Planet e, der im zurückweichenden inneren Rand der Scheibe verankert war, nach außen gezogen, weg von den Planeten b, c und d und hin zu den Welten, die sich im äußeren Teil des Systems bildeten. Dies hatte zur Folge, dass die Bahnen der Planeten b, c und d schwankten, und sie durchquerten die 8:5- und 5:3-Resonanzen, als sich ihre Umlaufzeiten ausweiteten, wurden dann aber durch ein Gravitationsmoment (eine drehende, rotierende Kraft) vom äußeren System zurückgedrängt, bis sie sich in den 8:5- und 5:3-Resonanzen einpendelten, die sie heute haben.
Was ist aber mit dem Planeten E? In der letzten Phase hatten sich die drei äußeren Welten gebildet. Wenn sich Planeten in einer protoplanetaren Scheibe bilden, geben sie häufig Bahndrehimpulse ab und tauschen diese Drehimpulse mit der Scheibe aus, aus der sie Material aufnehmen, um zu wachsen. Dies führt dazu, dass sie zum inneren Rand der Scheibe wandern. Im TRAPPIST-1-System hatte dies wahrscheinlich den Effekt, dass der Planet e zurückgedrängt wurde, bis sich der innere und der äußere Teil des Planetensystems in der heutigen Konfiguration befanden.
„Durch die Untersuchung von TRAPPIST-1 waren wir in der Lage, aufregende neue Hypothesen für die Entwicklung von Planetensystemen zu testen“, sagte Pichierri. „TRAPPIST-1 ist sehr interessant, weil es so komplex ist: Es ist eine lange Planetenkette, und es ist ein großartiges Beispiel, um alternative Theorien über die Entstehung von Planetensystemen zu testen.“
Die Forschungsergebnisse wurden am 20. August in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
