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Sechs Planeten in harmonischem Rhythmus
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Bern
astronews.com
30. November 2023
Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen,
die die Weltraumsatelliten CHEOPS und TESS nutzen, hat ein wichtiges neues
System von sechs Planeten entdeckt, die einen hellen Stern in einem harmonischen
Rhythmus umkreisen. Diese seltene Eigenschaft ermöglichte es dem Team, die
Planetenbahnen zu bestimmen. Weitere Untersuchungen sollen folgen.
Die sechs Planeten des Systems HD110067
erzeugen durch ihre Resonanzkette gemeinsam ein faszinierendes
geometrisches Muster. Bild:
Thibaut Roger / NCCR PlanetS, CC BY-NC-SA 4.0 [Großansicht] |
CHEOPS ist eine gemeinsame Mission der europäischen Weltraumagentur ESA und
der Schweiz, unter der Leitung der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der
Universität Genf. Dank der Zusammenarbeit mit Forschenden, die mit Daten des
NASA-Satelliten TESS arbeiten, konnte das internationale Team nun ein
Planetensystem nachweisen, welches den nahen Stern HD 110067 umkreist. Eine
Besonderheit dieses Systems ist seine Resonanzkette: Die Planeten umkreisen
ihren Stern in perfekter Harmonie.
Die Planeten im System HD 110067 umkreisen den Stern wie in einem sehr
präzisen Walzer. Wenn der Planet, der dem Stern am nächsten ist, drei volle
Umkreisungen um ihn macht, macht der zweite Planet genau zwei in der gleichen
Zeit. Dies nennt man eine 3:2-Resonanz. "Unter den über 5000 entdeckten
Exoplaneten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen, sind Resonanzen nicht
selten, ebenso wenig wie Systeme mit mehreren Planeten. Äußerst selten sind
jedoch Systeme, bei denen sich die Resonanzen über eine so lange Kette von sechs
Planeten erstrecken", betont Dr. Hugh Osborn, CHEOPS-Fellow an der Universität
Bern und Leiter des an der Studie beteiligten CHEOPS-Beobachtungsprogramms.
Genau dies ist der Fall bei HD 110067, dessen Planeten eine sogenannte
"Resonanzkette" in aufeinanderfolgenden Paaren von 3:2, 3:2, 3:2, 4:3 und 4:3
Resonanzen bilden, was dazu führt, dass der nächstgelegene Planet sechs Umläufe
um den Stern absolviert, während der äußerste Planet einen macht.
Obwohl mehrere Planeten mithilfe ihrer Transits vor dem Stern bereits
entdeckt worden waren, war die genaue Anordnung der Planeten zunächst unklar.
Dank des präzisen Gravitationstanzes konnte das Forschungsteam jedoch das Rätsel
von HD 110067 lösen. Prof. Adrien Leleu von der Universität Genf, verantwortlich
für die Analyse der Bahnresonanzen, erklärt: "Ein Transit findet statt, wenn ein
Planet aus unserer Sicht vor seinem Stern vorbeizieht und dabei einen winzigen
Teil des Sternlichts blockiert, was zu einem scheinbaren Abfall seiner
Helligkeit führt." Aus den ersten Beobachtungen des NASA-Satelliten TESS ging
hervor, dass die beiden inneren Planeten "b" und "c" eine Umlaufzeit von neun
beziehungsweise 14 Tagen haben. Für die anderen vier entdeckten Planeten konnten
jedoch keine Schlussfolgerungen gezogen werden. Zwei von ihnen wurden einmal im
Jahr 2020 und einmal im Jahr 2022 beobachtet, also gab es eine große Lücke in
den Daten von zwei Jahren. Die beiden anderen Planeten passierten den Stern nur
einmal im Jahr 2022.
Die Lösung des Rätsels um diese vier zusätzlichen Planeten zeichnete sich
schließlich dank Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop CHEOPS ab. Während TESS
darauf abzielt, den gesamten Himmel nach und nach abzusuchen, um kurzperiodische
Exoplaneten zu finden, solche also, die nahe um ihren Stern kreisen und kurze
Umlaufzeiten haben, ist CHEOPS eine zielgerichtete Mission, die sich mit
äußerster Präzision auf jeweils einen einzelnen Stern konzentriert. "Mit unseren
CHEOPS-Beobachtungen konnten wir feststellen, dass die Periode des Planeten "d"
20,5 Tage beträgt. Ausserdem konnten wir mehrere Möglichkeiten für die
verbleibenden drei äußeren Planeten "e", "f" und "g" ausschließen", erklärt
Osborn.
In diesem Moment erkannte das Team, dass die drei inneren Planeten von HD
110067 in einer präzisen 3:2, 3:2-Resonanzkette tanzen: Der innerste Planet
umkreist den Stern neunmal, der zweite sechsmal und der dritte viermal. Das Team
zog dann die Möglichkeit in Betracht, dass die drei anderen Planeten ebenfalls
Teil der Resonanzkette sein könnten. "Dies führte zu Dutzenden von Möglichkeiten
für ihre Umlaufzeit", erklärt Leleu, "aber durch die Kombination der vorhandenen
Beobachtungsdaten von TESS und CHEOPS mit unserem Modell der
Gravitationswechselwirkungen zwischen den Planeten konnten wir alle Lösungen bis
auf eine ausschließen: die 3:2, 3:2, 3:2, 4:3, 4:3-Kette."
Die Forschenden konnten daher vorhersagen, dass die drei äußeren
Planeten ("e", "f" und "g") Umlaufzeiten von 31, 41 und 55 Tagen haben. Diese
Vorhersage ermöglichte die Planung von Beobachtungen mit einer Reihe von
bodengestützten Teleskopen. Weitere Transits des Planeten "f" wurden beobachtet,
wobei sich herausstellte, dass er sich genau dort befand, wo die Theorie ihn
aufgrund der Resonanzkette vorausgesagt hatte. Eine erneute Analyse der
TESS-Daten ergab schließlich zwei versteckte Transits, jeweils einen der
Planeten "f" und "g" genau zu den Zeiten, die von den Vorhersagen erwartet
wurden, was die Perioden der sechs Planeten bestätigte. Weitere
CHEOPS-Beobachtungen der einzelnen Planeten, insbesondere des Planeten "e2, sind
für die nahe Zukunft geplant.
Von den wenigen bisher gefundenen Resonanzkettensystemen hat CHEOPS nicht nur
zum Verständnis von HD 110067, sondern auch von TOI-178 beigetragen. Ein
weiteres bekanntes Beispiel für ein System mit Resonanzketten ist das System
TRAPPIST-1, welches sieben Gesteinsplaneten beherbergt. Allerdings ist
TRAPPIST-1 ein kleiner und unglaublich schwacher Stern, was zusätzliche
Beobachtungen sehr schwierig macht. HD 110067 hingegen ist mehr als 50-mal
heller als TRAPPIST-1.
"Die Tatsache, dass die Planeten im System HD 110067 mit der Transitmethode
entdeckt wurden, ist entscheidend. Während sie vor dem Stern vorbeiziehen, wird
das Licht auch durch die Planetenatmosphären gefiltert", betont Jo Ann Egger,
Doktorandin an der Universität Bern, die die Zusammensetzung der Planeten anhand
der CHEOPS-Daten berechnet hat. Diese Eigenschaft erlaubt es den Forschenden,
die chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften der Atmosphären zu
bestimmen. Da viel Licht benötigt wird, sind der helle Stern HD 110067 und die
ihn umkreisenden Planeten ein ideales Ziel für weitere Studien zur
Charakterisierung der Planetenatmosphären. "Die Sub-Neptun-Planeten des Systems
HD 110067 scheinen eine geringe Masse zu haben, was darauf hindeutet, dass sie
möglicherweise gas- oder wasserreich sind. Zukünftige Beobachtungen dieser
Planetenatmosphären, zum Beispiel mit dem James Webb Space Telescope
(JWST), könnten Aufschluss darüber geben, ob die Planeten felsige oder
wasserreiche innere Strukturen aufweisen", so Egger.
Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Nature erschienen ist.
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