Astronomen berichten heute über die Entdeckung eines völlig aus dem Lot geratenen Planetensystems, in dem die Bahnen zweier Planeten in einem steilen Winkel zueinander stehen. Dieser überraschende Befund wird sich auf die Theorien über die Entstehung von Mehrplanetensystemen auswirken und zeigt, dass einige gewalttätige Ereignisse die Planetenbahnen nach der Entstehung eines Planetensystems stören können, so die Forscher.
„Die Ergebnisse bedeuten, dass künftige Studien von Exoplanetensystemen komplizierter werden. Die Astronomen können nicht mehr davon ausgehen, dass alle Planeten ihren Mutterstern in einer einzigen Ebene umkreisen“, sagt Barbara McArthur vom McDonald Observatory der University of Texas in Austin.
McArthur und ihr Team nutzten Daten des Hubble-Weltraumteleskops, des riesigen Hobby-Eberly-Teleskops und anderer bodengestützter Teleskope in Kombination mit umfangreichen Modellierungen, um einen Erdrutsch an Informationen über das Planetensystem, das den nahen Stern Upsilon Andromedae umgibt, zutage zu fördern.
McArthur berichtete über diese Ergebnisse heute in einer Pressekonferenz auf der 216. Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft in Miami, zusammen mit ihrem Mitarbeiter Fritz Benedict, ebenfalls vom McDonald Observatorium, und dem Teammitglied Rory Barnes von der University of Washington. Die Arbeit wird auch in der Ausgabe des Astrophysical Journal vom 1. Juni veröffentlicht.
Seit etwas mehr als einem Jahrzehnt wissen Astronomen, dass drei Planeten vom Typ Jupiter den gelb-weißen Stern Upsilon Andromedae umkreisen. Upsilon Andromedae ist in seinen Eigenschaften unserer Sonne ähnlich und liegt etwa 44 Lichtjahre entfernt. Er ist etwas jünger, massereicher und heller als die Sonne.
Durch die Kombination grundverschiedener, aber sich ergänzender Daten von Hubble- und bodengestützten Teleskopen hat McArthurs Team die genauen Massen von zwei der drei bekannten Planeten, Upsilon Andromedae c und d, bestimmt. Viel verblüffender ist jedoch die Feststellung, dass nicht alle Planeten diesen Stern in derselben Ebene umkreisen. Die Bahnen der Planeten c und d sind um 30 Grad gegeneinander geneigt. Dies ist das erste Mal, dass die „gegenseitige Neigung“ von zwei Planeten, die einen anderen Stern umkreisen, gemessen wurde. Außerdem hat das Team Hinweise darauf gefunden, dass ein vierter Planet, e, den Stern viel weiter außen umkreist.

„Höchstwahrscheinlich hatte Upsilon Andromedae den gleichen Entstehungsprozess wie unser eigenes Sonnensystem, obwohl es Unterschiede in der späten Formation gegeben haben könnte, die diese abweichende Entwicklung ausgelöst haben“, sagte McArthur. „Bisher ging man davon aus, dass sich Planetensysteme in der Scheibe bilden und relativ koplanar bleiben, wie unser eigenes System, aber jetzt haben wir einen signifikanten Winkel zwischen diesen Planeten gemessen, der darauf hindeutet, dass dies nicht immer der Fall ist.“
Bislang war die gängige Meinung, dass eine große Gaswolke in sich zusammenfällt, um einen Stern zu bilden, und Planeten ein natürliches Nebenprodukt des übrig gebliebenen Materials sind, das eine Scheibe bildet. In unserem Sonnensystem gibt es Anzeichen für dieses Schöpfungsereignis, denn alle acht großen Planeten umkreisen nahezu dieselbe Ebene. Die äußersten Zwergplaneten wie Pluto befinden sich auf geneigten Bahnen, die jedoch durch die Schwerkraft des Neptun verändert wurden und nicht tief in das Gravitationsfeld der Sonne eingebettet sind.
Für die überraschend geneigten Bahnen von Upsilon Andromedae könnten mehrere verschiedene Gravitationsszenarien verantwortlich sein. „Zu den Möglichkeiten gehören Wechselwirkungen, die durch die Einwärtswanderung von Planeten, den Auswurf anderer Planeten aus dem System durch Planeten-Planeten-Streuung oder die Störung durch den binären Begleitstern des Muttersterns, Upsilon Andromedae B, entstehen“, sagte McArthur.
Barnes, ein Experte für die Dynamik extrasolarer Planetensysteme, fügte hinzu: „Unsere dynamische Analyse zeigt, dass die geneigten Bahnen wahrscheinlich durch den Auswurf eines ursprünglichen Mitglieds des Planetensystems entstanden sind. Wir wissen jedoch nicht, ob der entfernte stellare Begleiter diesen Ausstoß erzwungen hat oder ob sich das Planetensystem selbst so gebildet hat, dass einige ursprüngliche Planeten ausgestoßen wurden. Außerdem stellen wir fest, dass die entstandene Konfiguration immer noch am Rande der Instabilität liegt: Die Planeten ziehen so stark aneinander, dass sie sich fast gegenseitig aus dem System werfen könnten.“
Die beiden verschiedenen Arten von Daten, die in dieser Untersuchung kombiniert wurden, waren die Astrometrie des Hubble-Weltraumteleskops und die Radialgeschwindigkeit von bodengebundenen Teleskopen.
Astrometrie ist die Messung der Positionen und Bewegungen von Himmelskörpern. McArthurs Gruppe verwendete für diese Aufgabe einen der Fine Guidance Sensors (FGS) am Hubble-Teleskop. Die FGS sind so präzise, dass sie die Breite eines Vierteldollars in Denver aus der Perspektive von Miami messen können. Diese Präzision wurde genutzt, um die Bewegung des Sterns am Himmel zu verfolgen, die durch die ihn umgebenden – und unsichtbaren – Planeten verursacht wird.
Die Radialgeschwindigkeit misst die Bewegung des Sterns am Himmel in Richtung Erde und von ihr weg. Diese Messungen wurden über einen Zeitraum von 14 Jahren mit bodengestützten Teleskopen durchgeführt, darunter zwei am McDonaldObservatorium und weitere am Lick-, Haute-Provence- und WhippleObservatorium. Die Radialgeschwindigkeit liefert eine lange Basislinie für die Beobachtung der Bahnneigung, so dass die Hubble-Beobachtungen von kürzerer Dauer, aber präziser und vollständiger sind, um die Bahnbewegungen besser zu definieren.
Die Tatsache, dass das Team die Bahnneigung der Planeten cand d bestimmt hat, ermöglichte es ihnen, die genauen Massen der beiden Planeten zu berechnen. Diese neuen Informationen haben uns gezeigt, dass wir unsere Meinung darüber, welcher Planet schwerer ist, ändern müssen. Frühere Mindestmassen für die Planeten, die sich aus Radialgeschwindigkeitsstudien ergaben, setzten die Mindestmasse für den Planeten c auf 2 Jupiter und für den Planeten d auf 4 Jupiter fest. Die neuen exakten Massen, die mit Hilfe der Astrometrie ermittelt wurden, liegen bei 14 Jupitern für den Planeten c und 10 Jupitern für den Planeten d.
„Die Hubble-Daten zeigen, dass die Radialgeschwindigkeit nicht die ganze Geschichte ist“, sagte Benedict. „
Die 14 Jahre an Radialgeschwindigkeitsdaten, die das Team zusammengetragen hat, deuten darauf hin, dass ein vierter, langperiodischer Planet über die drei jetzt bekannten hinaus kreisen könnte. Es gibt jedoch nur Hinweise auf diesen Planeten, da er so weit entfernt ist, dass das von ihm erzeugte Signal noch nicht die Krümmung einer Umlaufbahn erkennen lässt. Ein weiteres fehlendes Puzzleteil ist die Neigung des innersten Planeten b, die eine 1.000-fach höhere astrometrische Präzision als die von Hubble erfordern würde, ein Ziel, das mit einer für die Interferometrie optimierten Weltraummission erreicht werden kann.
Die Hubble-Daten des Teams bestätigten auch den Status von Upsilon Andromedae als abinärer Stern. Der Begleitstern ist ein roter Zwerg, der weniger massereich und viel schwächer als die Sonne ist.
„Wir haben keine Ahnung, wie seine Umlaufbahn aussieht“, sagte Benedict. „Er könnte sehr exzentrisch sein. Vielleicht kommt er ab und zu sehr nahe heran. Das kann 10.000 Jahre dauern.“ Ein solch naher Vorbeiflug des Sekundärsterns könnte die Umlaufbahnen der Planeten durch die Gravitation stören.