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Dienstag, 25.07.2017
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„Heiße Jupiter“ Opfer tödlicher Gezeitenkräfte?

Neues Modell erklärt rätselhafte Planetenleere in Kugelsternhaufen

Schlechte Nachrichten für Exoplanetenjäger: Statt der in Kugelsternhaufen erhofften Planetenschwemme könnten dort größere Gasplaneten längst zerstört sein. Ein neues Modell zeigt, dass die Gezeitenkräfte zwischen den Sternen und den sie eng umkreisenden „heißen Jupitern“ ein Drittel aller Planeten innerhalb von nur einer Milliarde Jahren vernichten. Für die Suche nach Exoplaneten bedeutet dies, dass diese sich auf jüngere Sternhaufen konzentrieren sollte, will sie erfolgreich sein.
Ein heißer Jupiter kurz vor seiner Zerstörung durch seinen Stern

Ein heißer Jupiter kurz vor seiner Zerstörung durch seinen Stern

Als Astronomen vor rund zehn Jahren damit begannen, gezielt in Sternenhaufen nach Exoplaneten zu suchen, hofften sie auf den Fund vieler neuer extraterrestrischer Welten. Denn wo sonst sollte die Dichte von Planetensystemen höher sein als hier, wo extrem viele Sterne ähnlichen Alters nahe beieinander stehen. Doch eine erste Kartierung des Kugelsternhaufens 47 Tucanae, bei der rund 34.000 „Kandidaten“-Sterne nach Anzeichen für Planetentransits durchmustert worden waren, erwies sich als enttäuschend: „Sie beobachteten so viele Sterne, dass die Leute dachten, sie würden mit Sicherheit einige Planeten finden“, erklärt John Debes vom Goddard Space Flight Center der NASA. „Doch das war nicht der Fall.“

Drangvolle Enge und wenig „Futter“


Tatsächlich wurden die meisten der heute bekannten Exoplaneten nicht in solchen Sternenansammlungen, sondern um einzeln stehende Sterne herum entdeckt. „Kugelsternhaufen entpuppen sich als raue Nachbarschaft für Planeten, weil es hier viele Sterne im Nahbereich gibt, die sie bedrängen und wenig Nahrung für sie“, erklärt Debes Kollege Brian Jackson.

Die hohe Sternendichte kann dazu führen, dass die Planeten durch die Wechselwirkung der verschiedenen Anziehungskräfte aus ihren Umlaufbahnen geschleudert werden und beispielsweise in einen benachbarten Stern stürzen. Zudem haben Studien festgestellt, dass solche Kugelsternhaufen meist relativ wenig schwerere Elemente enthalten, in der Fachsprache der Astronomen als „Metalle“ bezeichnet. Diese jedoch sind die essentiellen Rohmaterialien für die Planetenbildung.


Gezeitenkraft als entscheidender Faktor?


Jetzt haben Debes und Jackson eine weitere Theorie entwickelt, die erklärt, warum auch sehr nah um ihren Zentralstern kreisende Gasplaneten, so genannte heiße Jupiter, in solchen Kugelsternhaufen keinen Bestand haben. Sie werden zwar nicht so leicht durch die Schwerkraftwirkung anderer, benachbarter Sterne herausgeschleudert, dafür aber wird ihnen die Wechselwirkung mit ihrem eigenen Stern zum Verhängnis: Ähnlich wie der Mond eine Gezeitenwirkung auf die Erde ausübt, zieht auch die Schwerkraft eines dicht umkreisenden Planeten Sternenmaterial an und erzeugt eine „Beule“ im Stern.

„Beule“ bremst Planet aus


Auf seiner Umlaufbahn folgt diese Beule dem Planeten nicht genau auf gleicher Höhe, sondern hinkt ein bisschen hinterher. Dadurch übt sie eine bremsende Wirkung auf den Planeten aus und dieser sinkt ein wenig ab. Der nun geringere Abstand erhöht wiederum die Gezeitenwirkung und lässt die „Beule“ anwachsen – und damit auch ihre Bremswirkung. Im Laufe von Milliarden Jahren verkleinert sich dadurch die Umlaufbahn des Exoplaneten so weit, dass er schließlich vollends in seinen Zentralstern stürzt oder von dessen Schwerkraft zerrissen wird. „Die letzten Moment dieser Planeten können ziemlich dramatisch sein, wenn ihre Atmosphäre von der Schwerkraft ihres Sterns weggerissen wird“, erklärt Jackson. „Es wurde kürzlich sogar vermutet, dass der heiße Jupiter WASP-12B seinem Stern so nahe ist, dass er gerade zerstört wird.“

96 Prozent der Exoplaneten zerstört


Um herauszufinden, ob dieses Szenario die Planetenarmut von Kugelsternhaufen wie 47 Tucanae erkläre könnte, entwickelten Debes und Jackson ein Modell der Massen und Größen der Sterne im Cluster und simulierten eine wahrscheinliche Ausgangspopulation von Planeten. Dann ließen sie die Gezeitenwirkung der Sterne auf diese Planeten wirken. Das Ergebnis war durchschlagend: Schon in der ersten Milliarde Jahre der Lebenszeit eines Kugelsternhaufens wären mehr als ein Drittel aller heißen Jupiter durch diese Gezeitenwirkung zerstört. In dem elf Milliarde Jahre alten Cluster 47 Tucanae wären mehr als 96 Prozent aller Exoplaneten vernichtet.

„Planeten sind schwer fassbare Kreaturen und jetzt haben wir einen weiteren Grund dafür gefunden, warum dies so ist”, erklärt Jackson. „Unser Modell zeigt, dass man noch nicht einmal die Metallizität betrachten muss, um die Ergebnisse der Kartierung zu erklären, auch wenn sie und weiter Faktoren die Anzahl der Planeten ebenfalls reduzieren.“ Ron Gilliland, Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore und einer der an der Kartierung von 47 Tucanae beteiligten Forscher kommentiert: „Diese Analyse der Gezeitenwirkungen zwischen Planeten und ihren Sternen liefert eine weitere potenziell gute Erklärung – zusammen mit der starken Korrelation zwischen Metallizität und der Präsenz von Planeten – warum wir in 47 tuc keine Exoplaneten entdecken konnten.“

Weltraumteleskop Kepler

Weltraumteleskop Kepler

Kepler-Mission könnte Belege liefern


Einen Beleg für ihr Modell erhoffen sich Debes und Jackson nun von der Kepler-Mission. Das Weltraumteleskop ist dafür ausgelegt, gezielt nach heißen Jupitern und kleineren, erdähnlichen Exoplaneten zu suchen. Im Rahmen seiner Mission soll Kepler auch vier offene Sternhaufen unterschiedlichen Alters durchmustern. Im Gegensatz zu Kugelsternhaufen enthalten diese mehr schwere Elemente und besitzen eine deutlich geringere Sternendichte – hier könnten sich demnach Planeten gebildet haben. Findet Kepler in den jüngsten Sternhaufen mehr Planeten als in den alten, könnte dies die Theorie der beiden NASA-Forscher bestätigen.

Die Theorie hat auch Auswirkungen für die Exoplanetensuche insgesamt. Denn bestätigt sie sich, bedeutet dies eine deutlich geringere Chance, Exoplaneten in Sternenansammlungen zu finden. „die großen, offensichtlichen Planeten wären dann weg und wir müssten nach den kleineren, weiter vom Stern entfernten Planeten suchen“, erklärt Debes. „Das bedeutet, dass wir längere Zeit aufwenden müssen um größere Sternenzahlen zu durchmustern und dies zudem mit Instrumenten, die sensibel genug sind, um auch diese schwächeren Planeten zu finden.“
(NASA, 14.09.2010 - NPO)
 
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