Feb 22

Kühler Zwerg und die sieben Planeten

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden- und weltraumbasierten Teleskopen entdeckt, während sie vor ihrem Mutterstern vorbeizogen, dem besonders kühlen Zwergstern TRAPPIST-1. Darunter befand sich auch das Very Large Telescope der ESO. Dem heute in der Zeitschrift Nature erschienenen Fachartikel nach liegen drei der Planeten in der bewohnbaren Zone des Sterns und könnten auf ihren Oberflächen Ozeane aus Wasser beherbergen, wodurch die Möglichkeit steigt, dass in dem Sternsystem Leben möglich ist. Das System stellt sowohl in der Anzahl an bisher gefundenen erdgroßen Planeten als auch in der Zahl von Planeten, auf denen flüssiges Wasser auf der Oberfläche möglich ist, einen neuen Rekord auf.

Astronomen gelang es mit dem Teleskop TRAPPIST–South am La Silla-Observatorium der ESO und dem Very Large Telescope (VLT) am Paranal, sowie dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA und anderen Teleskopen auf der Welt [1] die Existenz von mindestens sieben kleinen Planeten zu bestätigen, die den kühlen roten Zwergstern TRAPPIST-1 [2]umkreisen. Alle Planeten, die mit zunehmender Entfernung zum Mutterstern die Namen TRAPPIST-1b, c, d, e, f, g und h tragen, sind in der Größe mit der Erde vergleichbar [3].

Rückschlüsse auf die jeweilige Größe, Zusammensetzung und Umlaufbahn der sieben Planeten konnten die Astronomen mit Hilfe der Verringerung der gemessenen Lichtintensität des Sterns ziehen, die auftritt, wenn die Planeten am Mutterstern vorbeiziehen und ihn für diese Zeit etwas verdunkeln — ein Ereignis, das als Transit bezeichnet wird. Sie fanden heraus, dass zumindest die inneren sechs Planeten in Größe und Temperatur mit der Erde vergleichbar sind.

Michaël Gillon vom STAR-Institut der Universität Lüttich in Belgien, der Erstautor der Studie, in der die Ergebnisse präsentiert werden, ist angesichts der Funde hocherfreut: „Dieses Planetensystem ist erstaunlich — nicht nur, weil wir so viele Planeten gefunden haben, sondern auch, weil ihre Größen der der Erde alle erstaunlich gleichen!“

Mit gerade einmal 8% der Sonnenmasse ist TRAPPIST-1 für stellare Verhältnisse — er ist nur geringfügig größer als der Planet Jupiter — sehr klein und erscheint, obwohl er sich relativ nahegelegen im Sternbild Wassermann (lat. Aquarius) befindet, sehr lichtschwach. Astronomen vermuten, dass solche Zwergsterne viele erdgroße Planeten auf engen Umlaufbahnen beherbergen, wodurch sie bei der Suche nach außerirdischem Leben vielversprechende Ziele sein könnten, auch wenn es sich bei TRAPPIST-1 um das erste entdeckte System dieser Art handelt.

Koautor Amaury Triaud erläutert: „Der Energieausstoß von Zwergsternen wie TRAPPIST-1 ist deutlich geringer als der unserer Sonne. Wenn es auf der Oberfläche Wasser geben soll, müssten sich Planeten auf deutlich engeren Umlaufbahnen befinden, als wir es von unserem Sonnensystem her kennen. Zum Glück scheint es, dass bei TRAPPIST-1 genau eine solch enge Anordnung vorliegt.“

Das Team fand heraus, dass alle Planeten in dem System von der Größe her mit der Erde und der Venus im Sonnensystem vergleichbar oder etwas kleiner sind. Die sich ergebenden Dichten legen nahe, dass es sich zumindest bei den innersten sechs vermutlich um Gesteinsplaneten handelt.

Die Planetenumlaufbahnen sind nicht viel größer als die des galileischen Mondsystems des Jupiter und kleiner als die Umlaufbahn von Merkur im Sonnensystem. Die geringe Größe und die niedrige Temperatur von TRAPPIST-1 haben jedoch zur Folge, dass ähnlich viel Energie auf den Planeten ankommt wie auf den inneren Planeten unseres Sonnensystems; TRAPPIST-1c, d und f sind ähnlichen Energiemengen ausgesetzt wie Venus und Erde, bzw. Mars.

Eventuell könnten alle sieben Planeten, die in dem System entdeckt wurden, auf ihrer Oberfläche flüssiges Wasser besitzen, auch wenn die Entfernung der einzelnen Planeten einige von ihnen zu wahrscheinlicheren Kandidaten macht als andere. Klimamodelle deuten darauf hin, dass die innersten Planeten, TRAPPIST-1b, c und d, vermutlich zu heiß für flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche sind, außer vielleicht auf einem kleinen Bruchteil ihrer Oberflächen. Der Abstand des äußersten Planeten des Systems, TRAPPIST-1h, ist noch nicht bestätigt, außerdem ist er wahrscheinlich zu weit vom Mutterstern entfernt und damit auch zu kalt für flüssiges Wasser — vorausgesetzt, es gibt keine alternativen Aufheizprozesse [5]. TRAPPIST-1e, f und g stellen jedoch den heiligen Gral für Planeten-Jäger dar, da sie den Stern in dessen habitabler Zone umkreisen und auf der Oberfläche ganze Ozeane aus Wasser beheimaten könnten [6].

Diese neue Entdeckung macht das TRAPPIST-1-System zu einem sehr wichtigen Ziel zukünftiger Untersuchungen. Das Hubble-Weltraumteleskop von NASA/ESA sucht um den Planeten bereits nach Atmosphären. Teammitglied Emmanuël Jehin ist begeistert angesichts der Möglichkeiten in der Zukunft: „Mit der kommenden Generation an Teleskopen, wie dem European Extremely Large Telescope und dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA, sind wir bald in der Lage, nach Wasser und vielleicht sogar nach Beweisen für Leben auf diesen Planeten suchen.

Endnoten

[1] Abgesehen vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA nutzte das Team viele bodengebundene Einrichtungen: TRAPPIST–South am La Silla-Observatorium und HAWK-I am Very Large Telescope der ESO in Chile, TRAPPIST-North in Marokko, das 3,8-Meter-Teleskop UKIRT auf Hawaii, das 2-Meter-Liverpool-Teleskop und das 4-Meter-William-Herschel-Teleskop auf La Palma auf den kanarischen Inseln sowie das 1-Meter-SAAO-Teleskop in Südafrika.

[2] TRAPPIST-South (the TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South) ist ein belgisches vollautomatisches 0,6-Meter-Teleskop, das von der Universität Lüttich betrieben wird und am La Silla-Observatorium der ESO in Chile steht. Die meiste Zeit überwacht es auf der Suche nach Hinweisen für Planeten-Transits das Licht von etwa 60 der nächsten sehr kühlen Zwergsterne und Braunen Zwerge („Sterne“, die nicht massereich genug sind, um fortwährend Kernfusion in ihrem Inneren auszulösen). TRAPPIST-South und sein Zwilling TRAPPIST-North sind die Vorläufer des SPECULOOS-Systems, das derzeit am Paranal-Observatorium der ESO installiert wird.

[3] Im Frühjahr 2016 gab ein Astronomenteam, ebenfalls unter der Leitung von Michaël Gillon, die Entdeckung von drei Planeten bekannt, die TRAPPIST-1 umkreisen. Sie intensivierten ihre Nachfolgeuntersuchungen des Systems hauptsächlich wegen eines außergewöhnlichen Dreifachtransits, den sie mit dem HAWK-1-Instrument am VLT beobachteten. Dieser Transit zeigte klar, dass mindestens ein anderer unbekannter Planet den Stern umkreist. Und dass die historische Lichtkurve zum ersten Mal drei erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima zeigen, zwei davon in der habitablen Zone, die alle zur selben Zeit vor dem Stern vorbeiziehen!

[4] Dies ist eine der grundlegenden Methoden, die Astronomen nutzen, um die Existenz eines Planeten um einen Stern zu bestimmen. Sie schauen sich das Licht an, das vom Stern kommt, und prüfen, ob ein Teil des Lichts blockiert wird, wenn der Planet vor dem Mutterstern durch die Sichtlinie zur Erde wandert. Auf seiner Umlaufbahn um den Stern sind regelmäßige kleine Absenkungen der Lichtmenge zu erwarten, die vom Stern kommt, wenn der Planet vor ihm vorbeizieht.

[5] Solche Prozesse könnten Gezeitenerwärmung miteinschließen, bei der die Anziehungskraft von TRAPPIST-1 dafür sorgt, dass sich der Planet wiederholt verformt, was zu inneren Reibungskräften und damit zur Erzeugung von Wärme führt. Dieser Prozess ist die Ursache für den aktiven Vulkanismus auf Jupiters Mond Io. Wenn TRAPPIST-1h auch eine wasserstoffreiche Uratmosphäre beibehalten hat, könnte die Wärmeverlustrate sehr gering sein.

[6] Diese Entdeckung stellt auch die längste Reihe an Exoplaneten dar, deren Umlaufbahnen nahezu in Resonanz miteinander stehen. Die Astronomen haben sorgfältig gemessen, wie lange es dauert, bis jeder Planet im System TRAPPIST-1 einmal umkreist hat, und dann das Verhältnis der jeweiligen Umlaufzeit eines Planeten zu der des nächsten weiter entfernteren Nachbarns berechnet. Die innersten sechs TRAPPIST-1-Planeten haben Umlaufzeitverhältnisse mit ihren Nachbarn, die sehr nahe an einfachen Verhältnissen wie 5:3 oder 3:2 sind. Das bedeutet, dass die Planeten höchstwahrscheinlich gemeinsam weiter außen entstanden und seitdem nach innen auf ihre derzeitigen Umlaufbahnen gewandert sind. Wenn dies der Fall ist, könnten die Planeten eine niedrige Dichte besitzen und reich an flüchtigen Elementen sein, was auf eine eisige Oberfläche und/oder eine Atmosphäre hindeutet.

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