EXTRASOLARE PLANETEN
Kaum Kollisionen im Planetensystem TRAPPIST-1
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
astronews.com
26. November 2021

Sieben erdgroße Planeten umkreisen den Stern TRAPPIST-1 in nahezu perfekter Harmonie. Eine jetzt vorgestellte Studie zeigt nun, dass diese Exoplaneten während ihrer Entstehung nicht von massiven Einschlägen und Kollisionen mit anderen Himmelskörpern betroffen waren. Die könnte auch Konsequenzen für die Bewohnbarkeit der Welten haben.

Künstlerische Darstellung des TRAPPIST-1-Planetensystems. Bild: ESO / M. Kornmesser   [Großansicht]

Der Stern TRAPPIST-1 ist etwa 40 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt, und er ist viel kleiner und kühler als unsere Sonne. Er wird umkreist von sieben etwa erdgroßen Planeten – die größte Ansammlung solcher Planeten, die jemals außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde. Sie sind alphabetisch von b bis h benannt, in der Reihenfolge ihrer Entfernung vom Stern. Die Zeit, die die Planeten für einen Umlauf um den Stern benötigen – was einem Jahr auf der Erde entspricht –, beträgt 1,5 Tage für den Planeten b und 19 Tage für den Planeten h.

Bemerkenswerterweise stehen die Umlaufzeiten der Planeten in einem nahezu perfekten Verhältnis zueinander, in einer sogenannten resonanten Anordnung, die an harmonische Musiknoten erinnert. So vergehen beispielsweise für acht "Jahre" auf dem Planeten b deren fünf auf Planet c, drei auf Planet d, zwei auf Planet e und so weiter. Simon Grimm vom Center for Space and Habitability CSH der Universität Bern hat für eine jetzt vorgestellte Studie die Parameter der Umlaufbahnen der TRAPPIST-1 Planeten und ihr Langzeitverhalten berechnet. "In der aktuellen Studie haben wir untersucht, welche Einschläge die TRAPPIST-1-Planeten überstanden haben könnten, ohne dass sie aus dem harmonischen Gleichgewicht gebracht worden sind", erklärt Grimm.

Planeten entstehen in sogenannten protoplanetaren Scheiben aus Gas und Staub rund um neu entstandene Sterne. Diese Scheiben halten nur einige Millionen Jahre. Computermodelle haben gezeigt, dass resonante Planetenketten wie die von TRAPPIST-1 entstehen, wenn junge Planeten nach ihrer Entstehung näher an ihren Stern heranrücken und sich so resonant anordnen. Die Forschenden gehen davon aus, dass sich resonante Ketten wie die von TRAPPIST-1 bilden müssen, bevor die protoplanetaren Scheibe verschwindet.

"Die Planeten von TRAPPIST-1 haben sich demnach schnell gebildet, in etwa einem Zehntel der Zeit, die die Erde für ihre Entstehung brauchte", erklärt Andre Izidoro, Astrophysiker an der Rice University, der auch an der Studie beteiligt war. Nachdem sich Gesteinsplaneten gebildet haben, werden sie in der Regel von anderen Himmelskörpern getroffen. "Das nennt man Bombardierung oder späte Akkretion. Wir interessieren uns dafür, weil diese Einschläge eine wichtige Quelle für Wasser und flüchtige Elemente sein können, die Leben auf diesen Planeten begünstigen könnten", erklärt Teammitglied Sean Raymond von der Universität Bordeaux.

Die Entschlüsselung der Einschlagsgeschichte ist bereits bei Planeten ist in unserem Sonnensystem schwierig. "Bei Planetensystemen, die Lichtjahre entfernt sind, ist es sogar eine scheinbar hoffnungslose Aufgabe, da wegen der großen Entfernung nicht einfach Krater oder sogar Gesteinsproben untersucht werden können", erklärt Grimm. Die Forschenden haben sich deswegen mit der besonderen Bahnkonfiguration der TRAPPIST-1 Planeten befasst. "Wir können zwar nicht genau sagen, wie viel Material auf einem der TRAPPIST-1 Planeten eingeschlagen ist, aber aufgrund ihrer speziellen Resonanzanordnung können wir eine Obergrenze festlegen", so Raymond. "Wir haben mithilfe von Computersimulationen herausgefunden, dass diese Planeten nach ihrer Entstehung nur mit einer sehr geringen Menge an Material bombardiert wurden."

Wenn sich ein Planet früh bildet und zu klein ist, kann er nicht viel Gas aus der Scheibe akkretieren. Ein solcher Planet hat laut den Forschenden auch viel weniger Möglichkeiten, flüchtige Elemente durch späte Bombardierungen zu gewinnen, die für die Entstehung von Leben entscheidend wären. Sollte einer der TRAPPIST-1-Planeten beispielweise viel Wasser enthalten, müsste das Wasser schon früh in den Planeten eingebaut worden sein. Ein möglicher Unterschied zur Entstehung der Erde könnte also darin bestehen, dass die TRAPPIST-1-Planeten von Anfang an eine Wasserstoffatmosphäre hatten.

Wie die Forschenden vermuten, könnte dies und auch die geringe Anzahl Einschläge die Entwicklung im Inneren des Planeten, die Ausgasung, den Verlust von flüchtigen Bestandteilen und andere Dinge, die sich auf die Bewohnbarkeit auswirken, stark beeinflusst haben. Raymond ist überzeugt davon, dass die aktuelle Studie nicht nur Auswirkungen auf die Untersuchung anderer resonanter Planetensysteme hat, sondern auch auf weitaus häufigere Exoplanetensysteme, von denen man annimmt, dass sie als resonante Systeme begonnen haben.

"Supererden und Subneptune sind in der Umgebung anderer Sterne sehr häufig, und die vorherrschende Vorstellung ist, dass sie während der Gasscheibenphase nach innen gewandert sind und dann möglicherweise eine späte Phase mit Kollisionen hatten", erklärt Raymond. "Aber während dieser frühen Phase, in der sie nach innen wanderten, hatten sie unserer Meinung nach eine Phase, in der sie resonante Kettenstrukturen wie TRAPPIST-1 bildeten."

Das James Webb Space Telescope der NASA oder das Extremely Large Telescope der ESO werden es in Zukunft ermöglichen, die Atmosphären von Exoplaneten direkt zu beobachten. "Diese Beobachtungen werden uns weitere Hinweise beispielsweise zur möglichen Bewohnbarkeit von Planeten liefern", so Grimm.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.