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Astronomie+Physik

Ein Planetensystem mit rückläufigem Stern

K2-290
Illustration des Planetensystems K2-290. (Bild: Christoffer Grønne)

Normalerweise sind Sterne und ihre Planeten einheitlich ausgerichtet. Dabei umkreisen die Planeten den Zentralstern in dessen Rotationsrichtung und meist parallel zum stellaren Äquator. Doch jetzt haben Astronomen ein Planetensystem entdeckt, das aus der Reihe tanzt: Der Stern K2-290 dreht gegenläufig zu seinen beiden Planeten und deren Orbits sind um 124 Grad gegen seinen Äquator gekippt. Modelle legen nahe, dass eine so drastische Abweichung nur durch die störende Wirkung eines nahen zweiten Sterns auf die Urwolke dieses Systems zustande kommen konnte. Tatsächlich haben die Forscher einen solchen „Störerstern“ bei K2-290 entdeckt.

Im Sonnensystem herrscht Ordnung: Die Erde und ihre Nachbarn umkreisen die Sonne alle in der gleichen Richtung und auf einer Ebene und diese liegt etwa auf Höhe des Sonnenäquators – auch wenn es einige Grad Verschiebung gibt. Doch es gibt auch Planetensysteme, in denen es chaotischer zugeht. Einige Exoplaneten umkreisen ihre Sterne auf einer stark geneigten Umlaufbahn oder sogar retrograd – entgegen dessen Rotationsrichtung. „Wenn Beobachtungen solche Fehlausrichtungen zwischen der stellaren Rotation und der orbitalen Bewegung eines Planeten enthüllen, dann wird dies meist darauf zurückgeführt, dass die ursprüngliche Ausrichtung durch Schwerkraftturbulenzen nach der Planetenbildung gestört wurde“, erklären Maria Hjorth von der Universität Aarhus und ihre Kollegen. In diesem Szenario wird der Planet durch den Einfluss eines weiteren, schwereren Planeten im System oder den Störeffekt eines vorbeiziehenden Sterns aus seiner alten Bahn geworfen.

Wenn ein Begleitstern die Urwolke stört

Es gibt aber auch die Möglichkeit, dass ein Störeinfluss schon die protoplanetare Scheibe um einen jungen Stern auslenkt. Den Modellen zufolge kann dies beispielsweise in einem Doppelsternsystem durch den Schwerkrafteffekt eines entfernten Begleitsterns geschehen. „Ein ideales Beispiel für dieses Szenario bestünde aus einem coplanaren System mehrerer Planeten und einem rückwärtsrotierenden Stern“, so die Astronomen. Denn eine solche Konfiguration lässt sich nicht so leicht durch den bloßen Einfluss eines Planeten oder den nachträglichen Störeffekt eines zweiten Sterns erklären. „Bisher wurden aber keine definitiven Beispiele dieser Art gefunden“, so die Forscher. Zwar gibt es einige wenige Fälle von Mehrplanetensystemen, in denen alle Planeten gleichermaßen ausgelenkt sind. Aber bei diesen konnte nie ein Begleitstern gefunden werden und der Zentralstern rotierte auch nicht retrograd.

Anders ist dies bei dem nun von Hjorth und ihre Kollegen beschriebenen System K2-290. Von diesem ist schon seit Beobachtungen mit dem Kepler-Weltraumteleskop im Jahr 2014 bekannt, dass es um den sonnenähnlichen Hauptstern in diesem Dreifach-Sternsystem zwei Planeten gibt. Der innere Planet K2-290b umkreist den Stern in gut neun Tagen und hat den dreifachen Erdradius – er ist daher ein sogenannter „heißer Sub-Neptun“. Der äußere Planet K2-290c benötigt rund 48 Tage für einen Umlauf und ähnelt mit rund elffachem Erdradius und 246 Erdmassen eher dem Jupiter. In welche Richtung diese beiden Planeten ihren Stern umkreisen und wie herum der Stern rotiert, haben nun die Astronomen mithilfe hochaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht.

Gekippter Orbit und retrograder Stern

Dafür beobachteten das Team, welche Anteile des Lichts die Transits der Planeten vor ihrem Stern in welcher Phase schlucken. „Wenn die stellare Rotation und die orbitale Bewegung des Planeten gleichgerichtet sind, dann blockiert der Planet während der ersten Hälfte des Transits das blauverschobene, von der auf uns zudrehenden Seite des Sterns ausgehende Licht“, erklären sie. „In der zweiten Hälfte des Transits wird dementsprechend primär der rotverschobene Lichtanteil blockiert.“ Ob dies bei K2-290 der Fall ist, prüften sie mithilfe der Spektrometer an mehreren erdbasierten Teleskopen, darunter auch dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile.

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Die Beobachtungen ergaben, dass die beiden Planeten von K2-290 zwar auf untereinander einheitlicher Ebene kreisen. Diese Bahnebene ist jedoch gegenüber dem Zentralstern stark ausgelenkt: Sie ist um 124 Grad gekippt und der Stern rotiert entgegengesetzt zur Umlaufrichtung seiner beiden Planeten, wie Hjorth und ihre Kollegen berichten. Diese Konfiguration sei nur schwer durch Turbulenzen nach der Planetenbildung zu erklären. Stattdessen sieht das Team in K2-290 das möglicherweise erste klare Beispiel für ein Planetensystem, das schon im Frühstadium durch einen Begleitstern gestört wurde. „Der einzigartige Aspekt bei K2-290 ist, dass ein Begleitstern bereits gefunden wurde und dass dieser Eigenschaften besitzt, die ihn zu einem guten Kandidaten für die Störung der protoplanetaren Scheibe machen“, konstatieren die Astronomen. In ergänzenden Modellsimulationen belegen sie, dass Schwerkraft-Resonanzen des Zentralsterns von K2-290 mit dem Begleitstern die beobachtete Konfiguration des Systems tatsächlich erzeugt haben könnte. „Die Architektur des K2-290-Systems zeigt, dass wir es nicht als gegeben ansehen können, dass Sterne und ihre protoplanetaren Scheiben immer gut ausgerichtet sind“, betonen Hjorth und ihr Team.

Quelle: Maria Hjorth (Universität Aarhus) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2017418118

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