Beliebte Planetenbahnen
Bestimmte Bahnbereiche werden bevorzugt bevölkert – Simulationen bestätigen Beobachtungen extrasolarer Planeten.
Noch vor zwei Jahrzehnten war die Frage nicht entschieden, ob Planeten außerhalb unseres Sonnensystems existieren. Zwar vermuteten Forscher, unser Sonnensystem sei lediglich ein durchschnittliches unter vielen, und auch viele andere Sterne besäßen Begleiter. Doch erst im Jahr 1992 gelang Alexander Wolszczan der Nachweis eines fernen Planeten – er umkreist einen Pulsar. Den ersten Exoplaneten, der um einen sonnenähnlichen Stern läuft, entdeckten Michel Mayor und Didier Queloz im Jahr 1995. Seitdem ist deren Zahl sprunghaft gewachsen. Mit erdgebundenen Teleskopen hat man bisher über 500 Exoplaneten gefunden; das Weltraumteleskop Kepler hat mittlerweile über 2000 Objekte nachgewiesen.
Abb.: Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Akkretionsscheibe um einen jungen Stern mit unterschiedlich dichten Bereichen. (Bild: NASA / JPL-Caltech)
Astronomen wollen unter anderem wissen, in welchen Entfernungen vom Zentralgestirn die Planeten sich vorzugsweise aufhalten. Da Planeten sich aus den Akkretionsscheiben neu entstehender Sterne bilden, erwartet man aus der Analyse ihrer Bahndaten Aufschlüsse über die Dynamik der protoplanetaren Staub- und Gaswolken. Daraus ließen sich neue Modelle der Planetenentstehung und der Migration von Planeten entwickeln.
Eine Besonderheit hat die Planetenforscher schon länger beschäftigt, nämlich dass extrasolare Planeten sich bevorzugt in bestimmten Bereichen tummeln, während sie andere meiden. Richard Alexander von der University of Leicester und Ilaria Pascucci vom Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona haben nun gezeigt, dass dies kein Zufall oder methodologisches Artefakt der Planetensuche ist, sondern aus bestimmten Gesetzmäßigkeiten der Entstehung und Migration von Planeten folgt.
Hierzu haben sie eine große Anzahl neu entstehender Sternensysteme mit zufällig verteilten Parametern simuliert. Dabei handelte es sich um Gasriesen, jenen Planetentyp, der bereits heute beobachtet werden kann. Kleinere Planeten wie Erde und Mars werden erst mit künftigen Generationen von Teleskopen in größerer Zahl zu sehen sein.
Ein entscheidender Punkt, der bislang nicht ausreichend verstanden wurde, ist die Aufheizung und Ausdünnung der Akkretionsscheibe des neu entstehenden Sterns. Nach den gängigen Modellen entstehen Planeten in den Wirbeln der Akkretionsscheiben junger Sterne. Sie nehmen beständig Masse aus der Akkretionsscheibe auf und wandern dabei von außen nach innen. Die Geschwindigkeit der Wanderung hängt dabei sowohl von der Masse des Planeten als auch von der Dichte und Viskosität der Akkretionsscheibe ab. Bislang nahm man an, dass dieser Wanderungsprozess eine ausreichende Erklärung für die Ausdünnung von Akkretionsscheiben liefert. Dann aber wäre eine mehr oder weniger gleichmäßige Verteilung der Planetenentfernungen vom Zentralgestirn zu erwarten, was den Beobachtungen widerspricht.
Alexander und Pascucci zeigten mit ihren Simulationen, wie die extreme UV-Strahlung junger Sterne dazu führen kann, dass bestimmte Bereiche der Akkretionsscheibe praktisch leer gefegt werden. Das Phänomen nennt sich Photoevaporation und sorgt dafür, dass in Entfernungen von ein bis zwei astronomischen Einheiten die Gasscheibe stark ausgedünnt wird. (Eine astronomische Einheit entspricht der Entfernung der Erde von der Sonne.) Näher an der Sonne ist die Gravitation des Sterns stark genug, um der Photoevaporation entgegen zu wirken. In größerer Entfernung hingegen ist die Heizwirkung zu schwach.
Die durch Photoevaporation entstandenen Lücken wirken bei der Migration von Planeten dann als Barrieren. Die von außen nach innen wandernden und dabei wachsenden Gasriesen treffen auf eine leere Zone, weshalb ihre Bahn an dieser Stelle verbleibt, sofern sie nicht durch Wechselwirkungen mit anderen Planeten verschoben wird. Wie Pascucci auf der 43. Lunar and Planetary Science Conference in The Woodlands, Texas, in ihrem Vortrag erklärte, liegen die bevorzugten Orbits kurz vor oder hinter der Photoevaporationsgrenze, wodurch eine deutliche Anhäufung entstünde. Alexander betont, die neuen Simulationen lieferten eine „plausible Erklärung für die jüngst entdeckten Anhäufungen von Gasriesen bei Exoplaneten-Untersuchungen.“
Dirk Eidemüller
