Dieser Exoplanet umkreist die Pole seines Sterns

1992 machten die Bemühungen der Menschheit, das Universum zu verstehen, einen bedeutenden Schritt nach vorne. Damals entdeckten Astronomen die ersten Exoplaneten. Sie heißen Poltergeist (Lärmender Geist) und Phobetor (Frightener) und umkreisen einen etwa 2300 Lichtjahre entfernten Pulsar.

Obwohl wir dachten, dass es andere Planeten um andere Sterne geben muss, und ganze Science-Fiction-Franchises auf dieser Idee aufgebaut wurden, wussten wir es nicht genau und konnten nicht einfach davon ausgehen, dass es wahr ist. Ein kurzer Blick in die Menschheitsgeschichte zeigt, wie falsch unsere Annahmen über die Natur sein können.

Seitdem hat eine Flut von Exoplaneten-Entdeckungen, vor allem dank der Kepler- und TESS-Missionen der NASA, unsere Annahmen über Planeten in anderen Sonnensystemen bestätigt. Aber während wir annahmen, dass andere Sonnensysteme unserem sehr ähnlich sein würden – wir hatten keine anderen Anhaltspunkte – haben uns die über 5000 Exoplaneten, die wir entdeckt haben, die Torheit unserer Annahmen gezeigt.

Die Annahme, dass andere Sonnensysteme unserem ähnlich wären, kann uns nicht vorgeworfen werden. Es macht Sinn, dass felsige Planeten dem Stern am nächsten sind und Gasriesen und Eisriesen weiter entfernt sind. Sogar die schöne saubere Grenze, die der Haupt-Asteroidengürtel bietet, macht Sinn. Es macht auch Sinn, dass Planeten ihren Stern auf der Ekliptik mit einer kleinen Variation umkreisen, genau wie die Planeten in unserem System.

Aber stattdessen haben Astronomen ein Übergewicht an Gasriesen gefunden, einschließlich der heißen Jupiter. Tatsächlich war der erste Exoplanet, der um einen sonnenähnlichen Stern herum entdeckt wurde, ein heißer Jupiter, der seinen Stern in nur vier Tagen umkreiste. Vieles davon kann auf die Erkennungsverzerrung bei der Transitmethode zurückgeführt werden, die für die Mehrheit der Planetenerkennungen verantwortlich ist.

Unsere Annahmen über geordnete Sonnensysteme, die unserem ähnlich sind, sind jetzt gut in unserem Rückspiegel, da wir Exoplaneten auf wild exzentrischen Umlaufbahnen entdeckt haben, Exoplaneten an Orten, an denen wir sie nie erwartet hätten, wie im Orbit um Weiße Zwerge, und Planeten, die so bizarr sind, dass geschmolzener Eisenregen könnte vom Himmel fallen.

Aber es gibt eine Unterklasse von Exoplaneten, die mehr Aufmerksamkeit von Exoplanetenwissenschaftlern auf sich zieht. Diese Planeten befinden sich in polaren Umlaufbahnen um ihre Sterne. Ein Team von Astronomen hat einen weiteren gefunden, und die Entdeckung schreit nach einer Erklärung.

Astronomen nutzen den Rossiter-McLaughlin-Effekt, um festzustellen, in welche Richtung sich ein Stern dreht und ob sich ein Exoplanet in einer polaren Umlaufbahn befindet. Es basiert auf Rotverschiebung und Blauverschiebung. Die Seite eines sich zu uns drehenden Sterns nähert sich uns, und das Licht von diesem Teil der Sonne wird blau. Die von uns abgewandte Seite verschiebt ihr Licht ins Rote. Wenn ein Planet vor dem Stern vorbeizieht, wirkt sich dies auf die Verschiebung aus, und Astronomen können den Effekt messen.

Die Forscher stellten ihre Arbeit in einem neuen Papier vor, das in der Zeitschrift veröffentlicht werden soll Astronomie und Astrophysik. Es trägt den Titel „Ein puffy polar planet: The low-density, hot Jupiter TOI-640 b is on a polar orbit“. Der Hauptautor ist Emil Knudstrup, ein Ph.D. Student am Institut für Physik und Astronomie der Universität Aarhus, Dänemark. Ein weiterer Autor, Simon Albrecht, ist bekannt für die Erforschung von Exoplaneten in polaren Umlaufbahnen und Autor und Co-Autor anderer Artikel zu diesem Thema.

TOI-640 ist ein Hauptreihenstern vom F-Typ. Sie ist etwa 1,5-mal massereicher als die Sonne und hat etwa den doppelten Radius. Der Stern ist etwa 2 Milliarden Jahre alt und etwa 1115 Lichtjahre von uns entfernt. TOI-640 ist ein Doppelstern, und sein Begleiter ist ein Roter Zwerg.

TOI-640 b ist ein heißer, aufgeblähter Jupiter. Er hat etwa 60 % der Masse des Jupiters und einen Radius von etwa 1,7 des Jupiters. Was den Planeten jedoch auszeichnet, ist seine Sternschiefe. Die Sternschiefe ist der Unterschied zwischen der Rotationsachse eines Sterns und der Umlaufbahn seiner Planeten. TOI-640 hat eine Sternschiefe von 184 ± 3°. Das bedeutet, dass sich der Planet TOI-640 b in einer polaren Umlaufbahn um den Stern befindet.

Und TOI-640 b ist nicht der einzige.

Es gibt viel zu viele solcher Planeten, um sie einfach als Unregelmäßigkeiten zu ignorieren. Untersuchungen zeigen, dass die meisten heißen Jupiter Umlaufbahnen folgen, die auf ihren Stern ausgerichtet sind, eine beträchtliche Anzahl jedoch falsch ausgerichtete Umlaufbahnen hat. Diejenigen mit falsch ausgerichteten Umlaufbahnen neigen dazu, polare Umlaufbahnen zu haben.

Es ist interessant, dass falsch ausgerichtete Umlaufbahnen nicht den Bereich der Neigungen überspannen. Stattdessen neigen sie dazu, sich in polaren Umlaufbahnen zusammenzuballen, was kein Zufall sein kann. In einem Artikel aus dem Jahr 2021 mit dem Titel „A Preponderance of Perpendicular Planets“ schrieben die Autoren, dass „die Anhäufung polarer Umlaufbahnen ein Hinweis auf die unbekannten Prozesse der Erregung und Entwicklung von Schräglagen ist“.

In demselben Papier aus dem Jahr 2021 skizzierten die Forscher vier mögliche Ursachen für Planeten in polaren Umlaufbahnen und warum falsch ausgerichtete Planeten dazu neigen, in polare Umlaufbahnen einzutreten.

Gezeitendissipation: Astronomen glauben, dass TD normalerweise die Schiefe dämpft, aber in einigen Fällen kann es dazu führen, dass die Schiefe bei 90° verweilt. Das passiert, wenn die Dämpfung durch die Dissipation von Trägheitswellen dominiert wird, die in der Konvektionszone durch Coriolis-Kräfte angetrieben werden. Aber einigen Sternen mit Planeten in polaren Umlaufbahnen fehlen Konvektionszonen, und andere haben so große Abstände zwischen ihnen und ihren Planeten, dass der Effekt von TD vernachlässigbar ist.

Kozai-Mechanismus: Dies sind Wechselwirkungen zwischen einem Stern und seinem Planeten und einem dritten Körper, der als Störer bezeichnet wird. Es kann Neigung und Exzentrizität beeinflussen und sogar Planeten in rückläufige oder fortschreitende Umlaufbahnen kippen. TOI-640 hat einen Roten-Zwerg-Partnerstern, der als Störer fungieren könnte.

Secular Resonance Crossing: Dies findet früh in der Geschichte des Sonnensystems statt, als die Scheibe noch prominent ist. Die Resonanz zwischen dem vorbeiziehenden Planeten und einem äußeren Begleiter verringert die Scheibenmasse. Es regt die Neigung des inneren Planeten an und drückt ihn auf 90°.

Magnetic Warping: Dies kann die gesamte protoplanetare Scheibe in eine senkrechte Ausrichtung kippen. Aber andere Dinge können dem entgegenwirken, wie Magnetbremsen und Scheibenwinde.

Die Autoren weisen darauf hin, dass diese Mechanismen einige der polaren Umlaufbahnen erklären können, die sie sehen, aber nicht alle. „Während diese Mechanismen möglicherweise Teile der beobachteten Verteilung erklären können, scheinen sie die Beobachtungen nicht vollständig einzeln reproduzieren zu können“, schreiben sie.

Aber all diese Mechanismen können Planeten auf polaren Umlaufbahnen erklären. Die Natur muss sich nicht nur auf einen von ihnen verlassen. „Es wäre interessant, die Stichprobengröße zu erhöhen und den Parameterraum zu erweitern, um zu versuchen zu entschlüsseln, ob diese Mechanismen in verschiedenen Arten von Systemen, die verschiedene Arten von Planeten beherbergen, zusammenwirken oder nicht“, schreiben sie.

Je mehr Astronomen über andere Sonnensysteme erfahren, desto klarer werden die Details darüber, welche Mechanismen zu welchen Zeiten und unter welchen Bedingungen dominieren. Vielleicht werden ihre Entdeckungen unsere Annahmen über andere Sonnensysteme auf die Probe stellen.