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Rätsel um polare Planeten

Auffallende Häufung von Exoplaneten mit um 90 Grad gekippten Orbits entdeckt

Planetentransit
Dieser Exoplanet umkreist seinen Stern auf einer polaren Umlaufbahn – senkrecht zur normalen Bahnebene von Planeten. © ESO/ B. Addison

Mysteriöse Abweichler: Es gibt eine überraschende Häufung von Exoplaneten, die ihren Stern senkrecht zur gewohnten Ebene umkreisen. Diese Planeten bewegen sich bevorzugt auf einer polaren statt äquatorialen Umlaufbahn, wie eine Studie enthüllt. Das jedoch widerspricht der erwarteten zufälligen Verteilung solcher Bahn-Abweichler über alle Winkel. Warum ausgerechnet die um 90 Grad gegen ihren Stern gekippten Planetenbahnen so häufig vorkommen, ist bislang unklar.

Die Erde und alle anderen Planeten des Sonnensystems liegen auf einer Ebene: Sie umkreisen die Sonne etwa auf Höhe ihres Äquators und bewegen sich in Richtung der Sonnenrotation. Das ist kein Zufall: Diese Anordnung ergibt sich, weil Sonne und Planeten ihren Ursprung in derselben rotierenden Staub- und Gasscheibe haben. Doch in den letzten Jahren haben Astronomen einige Exoplaneten entdeckt, die nicht ins Bild passen. So umkreist der heiße Gasriese WASP-189b seinen Stern auf einem 90 Grad gekippten Orbit und beim Doppelstern HD 98800 B liegt die protoplanetare Scheibe ebenfalls polar.

Transit-Spektrum verrät extrasolare Bahnneigungen

Wie häufig solche orbitalen Abweichungen vorkommen und welche Bahnneigungen diese Planeten zeigen, haben nun Simon Albrecht von der Universität Aarhus und seine Kollegen untersucht. Möglich wird dies durch den sogenannten Rossiter-McLaughlin-Effekt – eine Anomalie im stellaren Lichtspektrum beim Transit eines Planeten vor seinem Stern. Am Ausmaß und zeitlichen Ablauf dieser spektralen Rot- oder Blauverschiebung können Astronomen unter anderem ablesen, welche Bahnneigung der vorbeiziehende Planet hat.

Für ihre Studie haben Albrecht und sein Team 57 extrasolare Planetensysteme herausgesucht, für die alle erforderlichen Daten vorhanden sind. Die Stichprobe umfasst Sterne unterschiedlichster Masse und Temperatur – vom Roten Zwerg bis zu heißen Riesen. Auch das Spektrum ihrer Exoplaneten ist breitgestreut: Die sieben erdähnlichen Planeten um TRAPPIST-1 sind ebenso vertreten wie Einplanetensysteme mit nur einem heißen Gasriesen.

Der extrem heiße Planet KELT-9b umkreist seinen Stern sehr nah und quer zu dessen Rotationsachse. © NASA/JPL-Caltech

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19 Abweichler mit Vorliebe für polare Orbits

Das Ergebnis: Die Mehrheit der Exoplaneten bewegte sich wie zwar erwartet in der Äquatorebene ihres Sterns. Aber immerhin 19 Sterne besaßen planetare Abweichler – ihre Orbits lagen außerhalb der normalen Bahnebene. Das Merkwürdige jedoch: „Diese abweichenden Systeme decken nicht die volle Bandbreite der möglichen Bahnneigungen ab. Stattdessen zeigen sie eine ausgeprägte Vorliebe für nahezu lotrechte Orbits“, berichten die Astronomen.

Konkret besaßen auffallend viele Abweichler-Planeten eine Umlaufbahn, die zwischen 80 bis 125 Grad gegenüber der normalen, äquatorialen Ebene geneigt war. Dadurch umkreisten diese Planeten ihre Sterne auf einer nahezu polaren Umlaufbahn. „Es ist eher unwahrscheinlich, dass dies nur ein Zufall ist“, konstatieren Albrecht und seine Kollegen. Tatsächlich bestätigten mehrere statistische Tests, dass es diese Häufung polarer Orbits gibt.

Was ist die Ursache?

Aber warum? Was bringt einige Planeten dazu, sich genau senkrecht zur gewohnten Ebene zu bewegen? Die Merkmale der Abweichler-Planetensysteme liefern dazu bisher nur wenig Anhaltspunkte. Denn wie das Team feststellte, kommen solche polaren Planeten um Sterne aller untersuchten Spektralklassen vor. Auch der Abstand der Abweichler-Planeten von ihrem Stern variiert zwischen drei und 40 stellaren Radien.

Eine leichte Häufung fanden die Forschenden nur bei zwei Sorten von Exoplaneten: Alle sechs heißen Jupiter und drei neptungroße Planeten in der Stichprobe waren polare Abweichler. Das könnte darauf hindeuten, dass solche Bahnneigungen um 90 Grad eher bei größeren Planeten vorkommen. Dennoch reicht das bislang nicht aus, um den Grund für diese polaren Präferenzen zu ermitteln, wie die Astronomen erklären.

Mehrere Mechanismen denkbar

Theoretisch denkbar wären nach Ansicht des Teams mehrere Mechanismen: Der erste wäre ein Gezeiteneffekt, bei dem leichte Schwankungen in der Gravitation des Sterns nahe Planeten nach und nach auslenken. Allerdings muss dazu der Planet seinem Stern näher als zehn stellare Radien sein und der Stern muss große Umwälzströmungen in seinem Inneren besitzen. Das aber trifft für mehr als die Hälfte der polaren Abweichler nicht zu, wie Albrecht und seine Kollegen feststellten.

Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Abweichler durch den Einfluss weiter außen kreisender Mitplaneten oder anderer Störer aus ihrer ursprünglichen Bahn gedrängt wurden. Allerdings erfüllen auch dafür nicht alle polaren Systeme die Voraussetzungen, so das Forschungsteam. Ebenfalls möglich wäre, dass „verbogene“ stellare Magnetfelder schon die protoplanetare Scheibe aus ihrer äquatorialen Lage gebracht haben.

Welche Ursache tatsächlich hinter der merkwürdigen Häufung polarer Planetenbahnen steckt, ist offen. Hinzu kommt: „Die Natur hat keinerlei Verpflichtung, nur einen einzigen Mechanismus zu nutzen, um Orbits und Sterne zu kippen“, konstatieren Albrecht und sein Team. „Es kann daher gut sein, dass die Planetensysteme in unserer Stichprobe auf ganz verschiedenen Wegen in ihre nahezu senkrechte Konfiguration kamen.“ (Astrophysical Journal Letters, 2021; doi: 10.3847/2041-8213/ac0f03)

Quelle: AAS Nova

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