Vier Klassen von Planetensystemen

In unserem Sonnensystem scheint alles in Ordnung zu sein: Die kleineren Gesteinsplaneten wie Venus, Erde oder Mars umkreisen unseren Stern relativ nah. Die großen Gas- und Eisriesen wie Jupiter, Saturn oder Neptun hingegen bewegen sich in weiten Bahnen um die Sonne.

In zwei in der Zeitschrift veröffentlichten Studien Astronomie & Astrophysikzeigen Forschende der Universitäten Bern und Genf sowie des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS, dass unser Planetensystem in dieser Hinsicht einzigartig ist. Ein Research Highlight-Artikel, veröffentlicht in Naturastronomie von Luca Maltagliati in derselben Zeitschrift diskutiert diese beiden Arbeiten.

Wie Erbsen in einer Schote

„Vor mehr als einem Jahrzehnt bemerkten Astronomen aufgrund von Beobachtungen mit dem damals bahnbrechenden Kepler-Teleskop, dass Planeten in anderen Systemen in Größe und Masse normalerweise ihren jeweiligen Nachbarn ähneln – wie Erbsen in einer Schote“, sagt der Hauptautor der Studie, Lokesh Mishra, Forscher an der Universität Bern und Genf sowie am NCCR PlanetS. Doch lange Zeit war unklar, ob dieser Befund auf Einschränkungen der Beobachtungsmethoden zurückzuführen ist.

„Es war nicht möglich festzustellen, ob die Planeten in einem einzelnen System ähnlich genug waren, um in die Klasse der ‚Erbsen in einer Schote‘-Systeme zu fallen, oder ob sie eher unterschiedlich waren – genau wie in unserem Sonnensystem“, sagt Mishra.

Daher entwickelte der Forscher einen Rahmen, um die Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen Planeten des gleichen Systems zu bestimmen. Dabei entdeckte er, dass es nicht zwei, sondern vier solcher Systemarchitekturen gibt.

Vier Klassen von Planetensystemen

„Wir nennen diese vier Klassen ‚ähnlich‘, ‚geordnet‘, ‚antigeordnet‘ und ‚gemischt‘“, sagt Mishra. Planetensysteme, in denen die Massen benachbarter Planeten einander ähnlich sind, haben eine ähnliche Architektur. Geordnete Planetensysteme sind solche, bei denen die Masse der Planeten mit der Entfernung vom Stern tendenziell zunimmt – genau wie in unserem Sonnensystem. Nimmt die Masse der Planeten hingegen mit zunehmender Entfernung vom Stern grob ab, sprechen Forscher von einer antigeordneten Architektur des Systems. Und gemischte Architekturen treten auf, wenn die Planetenmassen in einem System von Planet zu Planet stark variieren.

«Dieses Framework lässt sich auch auf beliebige andere Messungen wie Radius, Dichte oder Wasseranteile anwenden», sagt Co-Autor der Studie Yann Alibert, Professor für Planetologie an der Universität Bern und am NCCR PlanetS. „Jetzt haben wir zum ersten Mal ein Werkzeug, um Planetensysteme als Ganzes zu untersuchen und mit anderen Systemen zu vergleichen.“

Die Ergebnisse werfen auch Fragen auf: Welche Architektur ist am weitesten verbreitet? Welche Faktoren steuern die Entstehung eines Architekturtyps? Welche Faktoren spielen keine Rolle? Einige davon können die Forscher beantworten.

Eine Brücke, die Milliarden von Jahren überspannt

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass ‚ähnliche‘ Planetensysteme die häufigste Art von Architektur sind. Etwa acht von zehn Planetensystemen um am Nachthimmel sichtbare Sterne haben eine ‚ähnliche‘ Architektur“, sagt Mishra. „Das erklärt auch, warum in den ersten Monaten der Kepler-Mission Beweise für diese Architektur gefunden wurden.“ Was das Team überraschte, war, dass die „geordnete“ Architektur – diejenige, die auch das Sonnensystem umfasst – die seltenste Klasse zu sein scheint.

Laut Mishra gibt es Hinweise darauf, dass sowohl die Masse der Gas- und Staubscheibe, aus der die Planeten entstehen, als auch die Häufigkeit schwerer Elemente im jeweiligen Stern eine Rolle spielen. „Aus eher kleinen, massearmen Scheiben und Sternen mit wenigen schweren Elementen entstehen ‚ähnliche‘ Planetensysteme. Große, massereiche Scheiben mit vielen schweren Elementen im Stern lassen geordnetere und antigeordnetere Systeme entstehen. Aus Medium entstehen gemischte Systeme -große Scheiben. Dynamische Wechselwirkungen zwischen Planeten – wie Kollisionen oder Auswürfe – beeinflussen die endgültige Architektur“, erklärt Mishra.

„Bemerkenswert an diesen Ergebnissen ist, dass sie die Anfangsbedingungen der Planeten- und Sternentstehung mit einer messbaren Eigenschaft verknüpfen: der Systemarchitektur. Dazwischen liegen Milliarden von Jahren der Evolution. Erstmals ist es uns gelungen, diese gewaltige Brücke zu schlagen.“ zeitliche Lücke und überprüfbare Vorhersagen treffen. Es wird spannend sein zu sehen, ob sie Bestand haben“, schließt Alibert.