EXTRASOLARE PLANETEN
Planetensysteme lassen sich in vier Klassen einteilen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
astronews.com
15. Februar 2023

Schon lange ist der Astronomie klar: Planetensysteme sind nicht zwingend wie unser Sonnensystem aufgebaut. In einer neuen Studie haben Forschende nun gezeigt, dass sich offenbar vier Klassen von Planetensystemen unterscheiden lassen. Unser Sonnensystem gehört dabei zu der Klasse, die es offenbar nur selten in der Milchstraße gibt.

Künstlerische Darstellung der vier Architekturtypen von Planetensystemen. Bild: NCCR PlanetS, Illustration: Tobias Stierli [Großansicht]

In unserem Sonnensystem scheint alles seine Ordnung zu haben: Die kleineren Gesteinsplaneten, wie die Venus, die Erde oder der Mars kreisen relativ nahe um unseren Stern. Die großen Gas- und Eisriesen, wie Jupiter, Saturn oder Neptun ziehen dagegen in weiten Bahnen um die Sonne. Forschende der Universitäten Bern und Genf, sowie des Schweizer Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS, zeigen nun in zwei Studien: damit steht unser Planetensystem ziemlich alleine da.

"Bereits vor über einem Jahrzehnt stellten Astronominnen und Astronomen aufgrund von Beobachtungen mit dem damals bahnbrechenden Kepler-Teleskop fest, dass Planeten in anderen Systemen ihren jeweiligen Nachbarn meist in Größe und Masse ähneln – Erbsen in einer Schote", sagt Studienhauptautor Lokesh Mishra, der an der Universität Bern und Genf, sowie dem NFS PlanetS forscht. Doch lange war unklar, ob diese Erkenntnis durch Einschränkungen bei den Beobachtungsmethoden zustande kam. "Es war unmöglich festzustellen, ob sich die Planeten in einem gewissen System genug ähnlich sind, um in die Klasse der ‘Erbsen-in-einer-Schote’-Systeme zu fallen, oder ob sie sich doch eher unterschieden – so, wie in unserem Sonnensystem", so Mishra. Daher entwickelte der Forscher ein Konzept, um die Unterschiede und Ähnlichkeiten von Planeten derselben Systeme zu ermitteln. Und stelle dabei fest: es gibt nicht zwei, sondern vier solche Systemarchitekturen.

"Wir bezeichnen diese vier Klassen als 'ähnlich', 'geordnet', 'anti-geordnet' und 'gemischt', so Mishra. Planetensysteme, bei denen die Massen der benachbarten Planeten einander ähnlich sind, haben eine ähnliche Architektur. Geordnete Planetensysteme sind solche, bei denen die Masse der Planeten tendenziell mit dem Abstand zum Stern zunimmt – so, wie auch in unserem Sonnensystem. Wenn die Masse der Planeten dagegen mit dem Abstand zum Stern abnimmt, sprechen die Forschenden von einer anti-geordneten Architektur des Systems. Und gemischte Architekturen treten auf, wenn die Planetenmassen in einem System von Planet zu Planet stark schwanken.  

"Dieses Konzept kann auch bei jeder anderen Messgröße angewendet werden, wie etwa Radius, Dichte oder Wasseranteilen", sagt Studienmitautor Yann Alibert, der an der Universität Bern und am NFS PlanetS forscht. "Damit haben wir nun erstmals ein Werkzeug, um Planetensysteme als Ganzes zu untersuchen und mit anderen Systemen zu vergleichen". Die Erkenntnisse werfen auch Fragen auf: Welche Architektur ist die häufigste? Welche Faktoren steuern das Entstehen eines Architekturtyps? Welche Faktoren spielen keine Rolle? Einige davon können die Forschenden beantworten.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass 'ähnliche' Planetensysteme die häufigste Art von Architekturen sind. Etwa acht von zehn Planetensysteme um die Sterne, die am Nachthimmel sichtbar sind, weisen eine solche ‘ähnliche’ Architektur auf", sagt Mishra. "Das erklärt auch, warum bereits in den ersten Monaten der Kepler-Mission Hinweise auf diese Architektur gefunden wurden". Überrascht hat das Team, dass die "geordnete" Architektur – also jene, zu der auch das Sonnensystem zählt – die seltenste Klasse zu sein scheint. Es gäbe Hinweise, so Mishra, dass sowohl die Masse der Gas- und Staubscheibe, aus der die Planeten hervorgehen, als auch die Häufigkeit von schweren Elementen im jeweiligen Stern eine Rolle spielen.

"Aus eher kleinen, wenig massiven Scheiben und Sternen mit wenig schweren Elementen gehen 'ähnliche' Planetensysteme hervor. Aus großen, massiven Scheiben mit vielen schweren Elementen im Stern entstehen eher 'geordnete' und 'anti-geordnete' Systeme. 'Gemischte' Systeme entstehen aus mittelgroßen Scheiben. Dynamische Wechselwirkungen zwischen Planeten – wie etwa Kollisionen oder Auswürfe – beeinflussen die endgültige Architektur", erklärt Mishra. "Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Ergebnisse ist, dass sie die Ausgangsbedingungen der Planeten- und Sternentstehung mit einer messbaren Eigenschaft – der Systemarchitektur – verbindet. Dazwischen liegen Milliarden von Jahren der Entwicklung. Uns ist es erstmals gelungen, diese riesige zeitliche Lücke zu überbrücken und überprüfbare Vorhersagen zu machen. Es wird spannend zu sehen, ob sie bestehen werden", resümiert Alibert.

 Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in zwei Fachartikeln, die in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen sind.