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Astronomie+Physik

Fünf Planeten in harmonischem Tanz

TOI-178
Planeten im TOI-178-System (Ilustration). (Bild: ESO/ L. Calçada/spaceengine.org)

Astronomen haben schon mehrere Sterne mit vielen Planeten im All entdeckt, aber TOI-178 ist etwas Besonderes. Der rund 200 Lichtjahre entfernte Stern wird von sechs Planeten umkreist, davon bewegen sich fünf in einem harmonischen Rhythmus: Ihre Umlaufzeiten zeigen eine Bahnresonanz und bilden damit eine der längsten bisher bekannten Resonanzketten. Gleichzeitig jedoch haben diese Exoplaneten sehr unterschiedliche, ungeordnete Dichten. Das macht dieses Planetensystem einzigartig und lässt sich nur schwer mit gängigen Modellen erklären.

Physikalische Resonanzen entstehen, wenn sich Schwingungen gegenseitig beeinflussen und dadurch verstärken. Was bei der Erdbebenwirkung auf Gebäude zerstörerisch enden kann, erzeugt in der Musik harmonische Klänge. So stehen beispielsweise die Frequenzen harmonischer Akkorde in ganzzahligen Verhältnissen zueinander. Aber auch in der Astronomie kennt man Resonanzeffekte. Sie treten auf, wenn sich Planeten oder andere Himmelskörper in einem System gegenseitig durch ihre Schwerkraft beeinflussen. Als Folge entsteht eine Bahnresonanz, bei der die Umlaufzeiten ihrer Orbits einfache Brüche bilden. In unserem Sonnensystem sind beispielsweise die Orbits von Neptun und Pluto in einer 3:2-Resonanz gekoppelt und auch die drei Jupitermonde Io, Europa und Ganymed stehen in einer Bahnresonanz.

Fünf Planeten in Bahnresonanz

Doch nun berichten Astronomen über ein Planetensystem, das diese Resonanzen sozusagen auf die Spitze treibt. Denn fünf der sechs Planeten um den rund 200 Lichtjahre entfernten Stern TOI-178 bewegen sich in einer Resonanz zueinander, wie Adrien Leleu von der Universität Bern und der Universität Genf und seine Kollegen herausfanden. Schon vor ihrer Studie wusste man aus Aufnahmen des NASA-Weltraumteleskops TESS, dass um TOI-178 mindestens zwei Planeten kreisen. Leleu und sein Team haben dieses Planetensystem mithilfe des Cheops-Weltraumteleskops der Europäischen Weltraumagentur ESA und mit den erdbasierten Teleskopen der Europäischen Südsternwarte in Chile näher untersucht. Anhand der Lichtkurven bei Transits der Planeten vor ihrem Stern und auch des subtilen Taumelns, den ihre Schwerkraft bei ihrem Stern hervorruft, konnte die Forscher schließlich sogar sechs Planeten um TOI-178 nachweisen.

Die Analysen ergaben zudem, dass sich fünf dieser Planeten in Resonanz zueinander bewegen. Ihre Umlaufzeiten bilden eine der längsten bisher von Planetensystemen bekannten Resonanzketten. Nur der innerste Planet ist nicht an diesem harmonischen Tanz der Planeten beteiligt. Die anderen fünf folgen einem Rhythmus, bei dem ihre Umlaufzeiten im Verhältnis 18:9:6:4:3 stehen: Während der vom Stern aus gesehen zweite Planet 18 Umläufe vollzieht, absolviert sein äußerer Nachbar neun Umläufe. Dessen Nachbar wiederum vollführt in der gleichen Zeit sechs Umkreisungen und so weiter. Diese ungebrochene Resonanzkette liefert auch Hinweise auf die Vergangenheit des Systems: „Die Bahnen in diesem System sind sehr gut geordnet, was uns sagt, dass sich dieses System seit seiner Geburt recht sanft entwickelt hat“, erklärt Co-Autor Yann Alibert von der Universität Bern. Wäre das System erheblich gestört worden, zum Beispiel durch eine Kollision, hätte diese fragile Konfiguration der Bahnen nicht überlebt.

Wilde Mischung von Dichten

Angesichts dieser offenbar langlebigen und ungestörten Ordnung waren die Ergebnisse der Größen- und Massenanalysen der sechs Planeten umso überraschender. Bei ein- bis dreifacher Erdgröße variiert ihre Masse zwischen 1,5 und 30 Erdmassen. Entgegen den Erwartungen scheinen die Dichten der Planeten dabei wild durcheinander gewürfelt zu sein. „Es ist das erste Mal, dass wir so etwas beobachten“, sagt ESA-Projektwissenschaftlerin Kate Isaak. „In den wenigen Systemen, die wir mit einer solchen Harmonie kennen, nimmt die Dichte der Planeten mit der Entfernung zum Stern stetig ab.“ In unserem Sonnensystem zum Beispiel liegen die dichteren Gesteinsplaneten näher am Zentralstern und die Gasplaneten mit geringer Dichte weiter draußen. „Im TOI-178- System scheint dagegen ein dichter, terrestrischer Planet wie die Erde direkt neben einem sehr flauschigen Planeten mit der halben Dichte von Neptun zu liegen, gefolgt von einem, der Neptun sehr ähnlich ist“, so Isaak.

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(Video: ESO/ L. Calcada)

Eine solche chaotische Abfolge könnte entstehen, wenn Planeten im Laufe ihrer Geschichte durch Kollisionen oder andere Schwerkraftturbulenzen ihre Positionen und Orbits gewechselt haben. Aber die ungebrochene Resonanzkette von fünf der sechs Planeten von TOI-178 spricht gegen ein solches Szenario. „Dieser Kontrast zwischen der rhythmischen Harmonie der Orbitalbewegung und den ungeordneten Dichten stellt unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen sicherlich in Frage“, sagt Leleu. Er und seine Kollegen hoffen nun, durch weitere Beobachtungen mehr darüber zu erfahren, wie dieses ungewöhnliche Planetensystem zustande kam.

Quelle: Adrien Leleu (Universität Bern, Universität Genf) et al., Astronomy & Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/202039767

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