Welten auf Wanderschaft

Fast drei Dutzend Planeten sind in den letzten Jahren bei anderen Sternen aufgespürt worden. Es handelt sich fast durchweg um Gasriesen, die die Masse des Jupiters häufig um ein Mehrfaches übertreffen. Viele haben extrem exzentrische Bahnen – im Gegensatz zu den fast kreisförmigen planetaren Orbits im Sonnensystem. Und die meisten anderen umrunden ihren Heimatstern innerhalb von wenigen Tagen und stehen ihm deshalb extrem nahe. Diese „Heißen Jupiter”, wie die Astronomen die aufgeblasenen Gasbälle nennen, werfen viele Rätsel auf: Wie sind sie entstanden? Warum sind sie nicht längst in ihre Sterne gestürzt? Und sind sie womöglich in der Natur die Regel – und die Eigenschaften des Sonnensystems ist die Ausnahme im All? „Bevor wir nicht bei einem anderen Stern einen Jupiter in Jupiterentfernung nachgewiesen haben, wird die Frage bleiben, ob unser Sonnensystem einzigartig ist – ein ‚kosmischer Freak‘”, sagt Geoffrey Marcy, Astronom an der San Francisco State University und der zur Zeit erfolgreichste Planetenjäger. Die Probleme sind noch grundlegender: Wo und wie bilden und entwickeln sich überhaupt Planetensysteme? Und wie schnell und wie häufig geschieht das? In den letzten Jahren haben Astronomen zahlreiche abgeflachte, rotierende Wolken aus Gas und Staub um junge Sterne entdeckt. Diese protoplanetarischen Akkretionsscheiben sind die Geburtsstätten von Planeten – eine Idee, die der Königsberger Philosoph Immanuel Kant schon im 18. Jahrhundert geäußert hatte. Aus dynamischen Instabilitäten und unter dem Einfluß elektromagnetischer Kräfte sowie vor allem der Gravitation verdichtet sich ein Teil der Materie in der Scheibe zu Klumpen. Diese sogenannten Planetesimalen, die von einem Millimeter auf Kilometergröße heranwachsen, sind die Bausteine der Planeten. Astronomen können die Geburt neuer Welten inzwischen also gleichsam vor unserer kosmischen Haustüre beobachten. In ein paar Fällen gibt es sogar Indizien für Planeten, die bereits in den Scheiben kreisen. Sie machen sich bemerkbar, wenn sie aufgrund ihrer Bewegung Lücken in die Scheiben pflügen oder diese durch ihre Gravitationswirkung verbiegen. Doch wie konnten die kosmischen Kinderstuben solche monströsen Gebilde hervorbringen, die die Planetenjäger bei anderen Sternen inzwischen nachgewiesen haben? Es ist kaum vorstellbar, daß sich die Heißen Jupiter nahe bei ihrem Heimatstern gebildet haben. Feurige junge Sterne stoßen einen heftigen Strom aus schnellen Elektronen, Protonen und Atomkernen aus, und die leichten Elemente in der protoplanetarischen Scheibe werden durch diesen Sternwind und die Hitze rasch nach außen getrieben. Deshalb haben sich die kleinen, dichten Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars mit ihrer festen Oberfläche in den inneren Bereichen unseres Sonnensystems gebildet, die Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun dagegen weiter außen. Verallgemeinert man diese Vorstellung, dann müssen die Heißen Jupiter bei anderen Sternen weiter außen in ihrer Geburtswolke entstanden und im Lauf der Zeit nach innen gedriftet sein. Douglas Lin von der University of California in Santa Cruz schlug diese Hypothese schon vor, ehe 1995 der erste Heiße Jupiter bei 51 Pegasi entdeckt wurde. Inzwischen hat er seine Idee mit Peter Bodenheimer von der University of California in Santa Barbara und Derek Richardson von der University of Washington weiterentwickelt. Lin zufolge spielen verschiedene Faktoren eine Rolle: Die Schwerkraft des Sterns und der protoplanetarischen Scheibe zieht äußere Riesenplaneten allmählich nach innen. Außerdem spiralisiert die Scheibenmaterie langsam in Richtung Stern, bedingt durch die Reibung ihrer Teilchen, die Energie kostet. Dabei werden eingebettete Planeten mitgeschleppt. Die Kollision mit Planetesimalen wirkt in dieselbe Richtung, wie Berechnungen von Norman Murray von der University of Toronto gezeigt haben. Hinzu kommt eine Übertragung von Drehmoment: Innen rotiert die Scheibe rascher als außen und gibt daher Drehmoment ab. Auch der Planet nimmt an diesem physikalischen Austauschmanöver teil, verliert dadurch aber in der Summe mehr Energie als er gewinnt. Die Folge: Sein Bahndurchmesser schrumpft. Doch warum sind die Heißen Jupiter dann nicht längst in ihren Stern gezogen worden – wie Motten ins Licht? Was hat sie aufgehalten? Lin meint, daß viele Riesenplaneten tatsächlich von den jungen Sternen verschluckt worden sind. Er malt sich eine Parade von Planeten aus, die zu ihrem Stern wandern und in den Tod stürzen. Doch die protoplanetarische Scheibe besteht nicht ewig. Lin schätzt, daß sie in rund zehn Millionen Jahren weitgehend verdampft ist. Dann entfallen die Reibungsverluste, und die Bahnen der verbliebenen Planeten werden stabilisiert. Gasriesen, die ihrem Stern schon gefährlich nahe gekommen sind, könnten auch anders gestoppt worden sein: Die Gezeitenkräfte des rotierenden Gestirns sowie sein Magnetfeld und Sternwind fegen seine unmittelbare Umgebung frei von Gas und Staub. Dies gilt nur für den unmittelbar angrenzenden Bereich, der sich maximal über das Zehnfache des Sterndurchmessers in den Raum hinaus erstreckt. Das entspricht ungefähr dem Radius der Merkurbahn. In diesen leer geblasenen Hohlraum können die sich nähernden Planeten nicht einwandern. Wenn aber nachkommende Massen ihre Bahn destabilisieren, verfallen sie dem Feuertod. Die Gasriesen in entlegeneren Umlaufbahnen, beispielsweise bei den Sternen 14 Herculis, 70 Virginis und 16 Cygni B, kann dieses Modell allerdings nicht erklären. Doch vielleicht haben sie sich erst verhältnismäßig spät gebildet, als die protoplanetare Scheibe schon große Lücken hatte oder teilweise verdampft war. Möglicherweise gab es weiter innen auch von Anfang an nicht genug Materie, von der Drehmoment nach außen hätte übertragen werden können. Außerdem legen Radioaufnahmen nahe, daß es eine große Variationsbreite an protoplanetarischen Scheiben gibt. Manche sind nur wenige Jupitermassen schwer, andere wiegen das Hundertfache. Diese Randbedingungen haben zweifellos einen Einfluß auf die Entwicklungsprozesse. Nicht einmal die Geburt von Planeten muß unbedingt auf dieselbe Weise ablaufen. „Vielleicht kennt die Natur viele Wege, einen Gasriesen zu formen”, sagt Alan P. Boss von der Carnegie Institution in Washington. Nach dem herkömmlichen Kernakkretions-Modell entstehen im Urnebel zunächst Körper aus schweren Elementen. Die Kondensationskeime von Gasriesen, so die Vermutung, haben Massen vom Zehnfachen der Erde. Daran lagern sich dann die flüchtigeren Elemente an, insbesondere Wasserstoff und Helium. Doch es ist auch denkbar, daß die Planetenbildung ohne solche Kondensationskeime ablaufen kann. Nach dem Gravitationsinstabilitäts-Modell entstehen jupiterähnliche Planeten auch durch den Kollaps einer Gas- und Staubwolke unter der eigenen Schwerkraft und bei einem „Anstoß” von außen. Diese Vorstellung ist noch spekulativ, aber sie läßt sich überprüfen. Via Gravitationsinstabilität könnten sich Planeten schon innerhalb von 100000 Jahren bilden, während die Kernakkretion mindestens 10 bis 20 Millionen Jahre dauert. Würde man also Lücken in extrem jungen Staubscheiben um andere Sterne finden, wie sie typischerweise von der Bewegung und Schwerkraft planetarer Embryos erzeugt werden, dann wäre dies ein Indiz für das Gravitationsinstabilitäts-Modell. Eine ganz andere Überlegung stammt von Renu Malhotra vom Lunar and Planetary Institute, Houston, und Norman Murray vom Canadian Institute for Theoretical Astrophysics in Toronto. Die Berechnungen der beiden Astrophysiker zeigen, daß eine Planetenwanderung auch möglich ist, wenn sich die protoplanetarische Gasscheibe bereits aufgelöst hat. In diesem Fall sind noch immer Planetesimale vorhanden, und die Schwerkraft von größeren Trabanten kann diese nach und nach aus dem jungen Planetensystem herausschleudern. Dabei geht Energie verloren, was die Planeten mit einer Verringerung ihres Bahndurchmessers bezahlen müssen. Das Problem dieses Modells: Für die Wanderung eines Gasplaneten von einer Umlaufbahn ähnlich der unseres Jupiters zu einem Orbit vergleichbar mit dem des Merkurs wären Planetesimale mit der 20fachen Masse des Planeten notwendig. Es ist unklar, ob die Natur ein so großzügiges Reservoir bereithalten kann. Doch damit sind die Möglichkeiten noch immer nicht erschöpft. Modellrechnungen von Frederic A. Rasio und Eric Ford vom Massachusetts Institute of Technology zeigen, daß auch regelrechte kosmische Billardpartien Planeten in die Nähe ihres Heimatsterns befördern können. Sind nämlich mehrere Gasriesen entstanden, hat ihre gravitative Wechselwirkung häufig zur Folge, daß ein Planet aus dem System hinauskatapultiert wird und ein anderer dafür auf eine engere Umlaufbahn gerät. Manche Planeten können dabei freilich auch in ihre Sonne stürzen und verbrennen. Diesem Erklärungsansatz zufolge herrscht also eine harte Selektion bei der Bildung von Planetensystemen. Nur wenige Trabanten überleben und finden einen stabilen Orbit. Auch in unserem Sonnensystem dürfte sich einst Dramatisches abgespielt haben. Merkur und der Erdmond sind sehr wahrscheinlich aus den Trümmern kollidierender Urplaneten entstanden. Uranus scheint ebenfalls eine stürmische Jugend durchlebt zu haben, denn seine Rotationsachse ist gegenwärtig um 98 Grad geneigt. Es ist also ziemlich wahrscheinlich, daß unser Sonnensystem in den ersten 500 Millionen Jahren seiner Geschichte mehr Planeten beherbergte als heute. Überdies zeigen Berechnungen von Renu Malhotra, daß die Gasplaneten des Sonnensystems einst ebenfalls auf Wanderschaft waren: Jupiter hat sich der Sonne genähert; Saturn, Uranus und Neptun dagegen wurden aufgrund von Wechselwirkungen mit Planetesimalen nach außen abgedrängt – Neptun sogar um 1,2 Milliarden Kilometer in nicht einmal 100 Millionen Jahren. „Es ist möglich, daß die meisten Planeten in instabilen Konfigurationen geboren werden und eine nachfolgende Wanderung zu sehr unterschiedlichen Systemen führen kann – in einer empfindlichen Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen in der protoplanetarischen Scheibe”, sagt die Astrophysikerin Malhotra. Ein kosmisches Schleudertrauma wäre auch eine plausible Erklärung für die stark elliptische Umlaufbahn, auf der viele der neu entdeckten Planeten durchs All schwirren. Rund ein Drittel haben Bahnen, die elliptischer sind als die von Pluto und Merkur, den exzentrischsten Planeten im Sonnensystem. Bei manchen schwankt der Abstand von ihrem Heimatstern im Lauf einer Umrundung über 200 Millionen Kilometer. Die Schwerkraft-Wechselwirkung mit anderen Planeten ist nicht die einzige Ursache für die exzentrischen Bahnen, vermuten Pawel Artymowicz von der Universität Stockholm und Pat Cassen vom Ames Research Center der NASA. Manche der Welten könnten bereits auf solchen krummen Touren geboren worden sein. Dies paßt zu der Beobachtung, daß drei Viertel aller Planeten mit stark exzentrischen Bahnen besonders massereich sind. Ihre Gravitationskräfte können Dichtewellen in der protoplanetarischen Scheibe erzeugen, die sich mitunter spiralförmig ausbreiten und dadurch zunächst kreisförmige Orbits beeinträchtigen. Beim exzentrischen Planeten von 16 Cygni B im Sternbild Schwan gibt es aber noch eine einfachere Erklärung. Der 70 Lichtjahre entfernte Stern steht nämlich nicht allein im Raum, sondern wird von einem anderen Stern begleitet. Dessen Schwerkraft dürfte ausgereicht haben, um den Planeten von 16 Cygni B von der Kreisbahn abzubringen. Dieses Beispiel zeigt, daß sich Planeten auch in Doppelsystemen bilden oder, falls der Begleitstern 16 Cygni A nachträglich eingefangen worden ist, ein solches Ereignis überstehen können. Noch interessanter ist für Astronomen ein mutmaßlicher Trabant von HD 13445 im Sternbild Eridanus. Auch hier handelt es sich um ein Doppelsternsystem – doch die Bahn des Planeten ist ziemlich kreisförmig, weil er seinem Stern hundertmal näher steht als der andere Stern. All diese – auch für Astronomen teilweise verwirrenden – Befunde und Hypothesen lassen immerhin eine Schlußfolgerung zu: Unser Sonnensystem muß keinesfalls die Norm sein. Vielleicht ist es sogar ein kosmischer Glücksfall. Denn es hätte wichtige Konsequenzen für die Existenz außerirdischen Lebens. Wie wahrscheinlich es ist, hängt nämlich entscheidend von den kosmischen Randbedingungen ab. Wenn ein Riesenplanet sich auf einer stark exzentrischen Bahn oder sehr nahe um seinen Stern bewegt, dann sind stabile Umlaufbahnen für einen erdähnlichen Planeten in einer lebensfreundlichen Entfernung von diesem Stern unmöglich. „Die großen Brocken können alle erdähnlichen Planeten aus einem Sonnensystem fegen”, sagt Marcy. Das hat Folgen: „ Unsere Existenz basiert darauf, daß sowohl Jupiter als auch die Erde auf stabilen, beinahe kreisförmigen Bahnen laufen.” Jupiters abgeschiedene Lage ist auch noch aus einem anderen Grund für uns wichtig: Er hält der Erde gleichsam den Rücken frei. Er verschont das innere Sonnensystem weitgehend von heranfliegenden Kometen, indem er sie ablenkt oder aber wie ein kosmischer Staubsauger einfängt und teilweise sogar verschluckt – zum Beispiel 1994 Shoemaker- Levy 9. Ohne Jupiter wäre die Erde wesentlich häufiger eine Zielscheibe für das Bombardement aus dem All geworden. Das hätte die Entstehung von komplexeren Lebensformen erschwert, wenn nicht sogar unmöglich gemacht. Außerirdische Lebensformen, vor allem intelligente, könnten also wesentlich seltener sein, als Optimisten annehmen. Doch noch wissen wir zu wenig über die Architektur anderer Planetensysteme. Nur die exotischen Riesenplaneten lassen sich durch unsere momentanen Beobachtungsmittel verläßlich nachweisen. Empfindlichere Instrumente müssen zeigen, ob unser Sonnensystem eine kosmische Ausnahme ist oder doch eher die Regel in der Natur. „Noch ist die Erde die einzige uns bekannte Welt, die Leben trägt”, sagt Christopher F. Chyba von der University of Arizona in Tucson. „ Wenn wir die Bedingungen erforschen, die für lebensfreundliche Planeten notwendig sind, lernen wir auch den Wert unserer eigenen Welt besser zu schätzen.” Leben auf Monden? Obwohl die „Heißen Jupiter”, die exotischen Gasplaneten bei anderen Sternen, für erdähnliches Leben nicht in Frage kommen, könnten sie es doch gleichsam unter ihrer Schirmherrschaft protegieren – auf Riesenmonden nämlich, wie Darren M. Williams, James F. Kasting und Richard A. Wade spekulieren. Die Astronomen von der Pennsylvania State University gehen davon aus, daß Gasplaneten mit dem Mehrfachen der Jupitermasse von marsgroßen Monden umlaufen werden könnten, Braune Zwerge – Zwitter zwischen Gasriesen und Zwergsternen – sogar von erdähnlichen Trabanten. Bei Umlaufperioden von weniger als 45 Tagen sind ihre Bahnen über Milliarden Jahre stabil. Umrundet der Heiße Jupiter seinen Stern in einem Abstand, wo sich Wasser in flüssiger Form halten kann – nicht nur als Gas oder Eis –, dann sind belebte Monde durchaus vorstellbar. Dieser kritische Bereich, auch Ökosphäre genannt, liegt in einer Entfernung zwischen dem 0,95- und 1,37–, vielleicht sogar 2,4-fachen der Distanz Sonne–Erde. Voraussetzung ist allerdings eine langlebige Atmosphäre. Um sie zu halten, müßte die Masse des Mondes mindestens ein Zehntel der unserer Erde betragen, so haben Williams und seine Kollegen ausgerechnet (zum Vergleich: Ganymed, der größte Mond im Sonnensystem, wiegt 0,03 Erdmassen). Zum Schutz vor der Strahlung des Riesenplaneten bräuchte der Mond außerdem ein Magnetfeld. Die Energie dafür könnte vom Zerfall radioaktiver Elemente in seinem Inneren stammen, von gespeicherter Urhitze aus seiner Entstehungszeit oder von Gezeitenkräften durch den Schwerkrafteinfluß des nahen Planeten. Die Energie wäre auch für geophysikalische Prozesse nötig, den sogenannten Karbonat-Silikat-Zyklus, der die Temperatur der Atmosphäre reguliert und stabilisiert. Ein weiteres Problem ist, daß Monde im Verlauf weniger hundert Millionen Jahre ihrem Planeten nur noch eine Seite zuwenden. Diese gebundene Rotation wird durch die Gezeitenreibung verursacht und beeinflußt die Tageslänge des Mondes. Aufgrund starker Temperaturschwankungen sind Himmelskörper mit Tageslängen von über vier Erdtagen wahrscheinlich lebensfeindlich. Allerdings könnte eine dichte Kohlendioxid-Atmosphäre mit ihrem Treibhauseffekt den Wärmeverlust abpuffern. Auch eine exzentrische Umlaufbahn des heißen Jupiters um seinen Stern wäre dadurch in

Rüdiger Vaas