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Kollisionsgeschichte

Trappist-1-Planeten kaum bombardiert

Künstlerische Darstellung des TRAPPIST-1-Systems. (Bild: NASA/JPL-CALTECH)

Bei uns krachte es vergleichsweise heftig: Kollisionen zwischen Himmelskörpern haben die Entwicklung des Sonnensystems und der Erde deutlich geprägt. Wie dies im Fall des spannenden Trappist-1-Systems war, beleuchtet nun eine Studie. Die ausgeprägte Harmonie, in der sich die sieben erdgroßen Gesteinsplaneten bewegen, zeugt demnach von einer vergleichsweise schwachen Störung durch Kollisionen in der frühen Entwicklungsgeschichte des Systems. Dies liefert wiederum Hinweise darauf, wie die Planeten flüchtige Substanzen wie Wasser angesammelt haben könnten, erklären die Forscher.

Ein Set aus sieben Welten im Visier: TRAPPIST-1 gilt als eines der interessantesten Stern-Systeme, das Astronomen bei der Suche nach Exoplaneten entdeckt haben. Bisherigen Untersuchungen zufolge umkreisen den etwa 40 Lichtjahre von uns entfernten Roten Zwergstern sieben Planeten mit spannenden Merkmalen: Dichte-Eigenschaften und Anzeichen von Atmosphären belegen, dass es sich um Gesteinsplaneten handelt, die theoretisch lebensfreundliche Bedingungen bieten könnten. Es gibt auch bereits Hinweise darauf, dass sie wasserreich sein könnten.

Der Kollisionsgeschichte auf der Spur

Astronomen versuchen dem System deshalb nun immer mehr Geheimnisse zu entlocken. Im Fokus der Forscher um Sean Raymond von der Universität Bordeaux in steht dabei die Kollisionsgeschichte von TRAPPIST-1. Wie sie erklären, können entsprechende Einblicke Hinweise auf die heutigen Merkmale der Planeten liefern. Denn im Fall der Entwicklung unseres Sonnensystems und der Erde geht man von einer wichtigen Rolle der frühen kosmischen Karambolagen aus: Nach der Bildung der Planeten aus der Staubscheibe um die Sonne haben Kollisionen sowie Asteroideneinschläge die Konstellationen in unserem System geprägt. Zudem geht man davon aus, dass ein erheblicher Teil des irdischen Wassers durch Einschläge auf unseren Planeten gelangte.

Doch wie kann man Hinweise über die Kollisionsgeschichte in einem fernen System gewinnen, wenn keine Gesteinsproben oder Krater untersucht werden können? Wie die Forscher erklären, ermöglicht die bereits bekannte Harmonie im TRAPPIST-1-System Rückschlüsse. Die Umlaufzeiten der sieben alphabetisch von b bis h benannten Planeten stehen demnach in einer sogenannten resonanten Anordnung zueinander, die an harmonische Musik erinnert. Die Zeit, die die Planeten für ihren engen Umlauf um den kleinen Mutterstern benötigen, beträgt 1,5 Tage für den Planeten b und 19 Tage für den Planeten h. Die Harmonie ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass in acht „Jahren“ auf dem Planeten b fünf auf Planet c ablaufen, drei auf Planet d, zwei auf Planet e und so weiter.

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Harmonie durch wenig Beschuss

Raymond und seine Kollegen haben nun Computersimulationen entwickelt, um die Entstehungsgeschichte des Planetensystems und der möglichen Rolle von Kollisionen zu untersuchen. Wie sie erklären, ist davon auszugehen, dass sich resonante Ketten wie die von TRAPPIST-1 bereits bilden, bevor die protoplanetaren Scheiben verschwinden. Nachdem sich Gesteinsplaneten gebildet haben, werden sie dann in der Regel von anderen Himmelskörpern und Überbleibseln aus der Geburtsscheibe getroffen. Bei diesem Bombardement oder späte Akkretion genannten Prozess kann es je nach Ausmaß der Kollisionen zu Verschiebungen kommen. Dazu liefern die Simulationen der Studie nun Hinweise: „Wir können zwar nicht genau sagen, wie viel Material auf den TRAPPIST-1-Planeten eingeschlagen ist, aber aufgrund ihrer speziellen Resonanzanordnung können wir zumindest eine Obergrenze festlegen“, sagt Raymond. „Aus unseren Computersimulationen geht dabei hervor, dass diese Planeten nach ihrer Entstehung nur mit einer sehr geringen Menge an Material bombardiert wurden“, resümiert der Wissenschaftler.

Demnach ist im Gegensatz zur Erde vermutlich auch nur wenig flüchtiges Material wie Wasser durch Einschläge auf die TRAPPIST-1-Planeten gelangt. Sollte einer von ihnen dennoch viel des potenziellen Lebenselixiers besitzen, müsste es demnach schon früh in seiner Entstehungsgeschichte eingelagert worden sein. Ein möglicher Unterschied zur Entstehung der Erde könnte demnach darin bestehen, dass die TRAPPIST-1-Planeten von Anfang an eine Wasserstoffatmosphäre besessen haben, erklären die Wissenschaftler.

Neben der Bedeutung für dieses spezielle System können die Studienergebnisse ihnen zufolge auch der Untersuchung anderer resonanter Planetensysteme zugute kommen – und auch bei Fällen, in denen eine einstige Harmonie vermutet wird. „Supererden und Subneptune sind in der Umgebung anderer Sterne sehr häufig und die vorherrschende Vorstellung ist, dass sie während der Gasscheibenphase nach innen gewandert sind und dann möglicherweise eine späte Phase mit Kollisionen hatten“, sagt Raymond. „Aber während dieser frühen Phase, in der sie nach innen wanderten, hatten sie unserer Meinung nach eine Phase, in der sie resonante Kettenstrukturen wie TRAPPIST-1 bildeten.“

Was die weitere Untersuchung des spannenden Siebener-Sets betrifft, hoffen die Wissenschaftler nun auf den Fortschritt in der Astronomie: Das James Webb Space Telescope der NASA sowie das Extremely Large Telescope der ESO könnten zukünftig Einblicke in die Atmosphären der fernen Welten ermöglichen und damit aufklären, inwieweit sie tatsächlich wasserreich sind.

Quelle: Rice University, Universität Bern, Fachartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-021-01518-6

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