So weit zu den Vorraussetzungen – alles in allem läuft das auf eine Simulation von etwa 350.000 Objekten hinaus. Die Computer waren also einige Zeit beschäftigt 😉 Aber schließlich waren die Ergebnisse da.

Resultate

Als erstes  haben wir uns die Stabilität im “(a-e)-Raum” angesehen. Das soll heissen, dass wir verschiedene Anfangswerte für die große Halbachse (a) und Exzentrizität (e) der Testteilchen gewählt und dann untersucht haben, ob diese Kombinationen in stabilen oder chaotischen Bahnen resultieren.

Wie so etwas aussieht, das folgende Bild. Auf der horizontalen Achse sind die Werte für die große Halbachse angegeben; auf der vertikalen die für die Exzentrizität. Für jeden Punkt in dieser Ebene haben wir die Bewegung des entsprechenden Teilchens simuliert. Die Farbe zeigt das Ergebnis – sie gibt den Maximalwert der Exzentrizität an, den die Testteilchen während der Simulation erreicht haben. Je größer dieser Wert ist, desto chaotischer ist die Region. Gelb/Rot zeigt reguläre Bereiche an; die chaotischeren Bereiche sind grün/blau.

Und so sieht das ganze dann aus:

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Man sieht erstmal deutlich, dass in der unmittelbaren Umgebung von TrES-2b (der sich bei 0.036 AE befindet) kein Platz für weitere Planeten ist – dort ist alles schwarz; also instabil. Man sieht auch, dass diese instabile Region umso größer wird, je größer die Exzentrizität der Testteilchen ist. Ist ja auch logisch – je exzentrischer und damit langgestreckter die Bahn ist, desto größer ist die Chance, dass sie mit dem Planeten kollidieren.

Für diese Simulation wurde außerdem die anfängliche mittlere Anomalie M der Testteilchen auf 0 Grad gesetzt. Die mittlere Anomalie bestimmt im Prinzip, wo sich ein Objekt entlang seiner Bahn befindet. In einem anderen Artikel habe ich schon beschrieben, dass es unter Umständen sehr wichtig sein, wie man die mittlere Anomalie wählt. Denn die bestimmt, ob eventuell auftretende Resonanzen stabilisierend oder störend wirken können.

Wir haben daher die gleiche Simulation nochmal für einen anfänglichen Wert der mittleren Anomalie von M=45°, M=90°, usw wiederholt. Die Ergebnisse sieht man hier:

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Die allgemeine Form der regulären und chaotischen Bereiche bleibt gleich – aber in den Details unterscheiden sich die Bilder. Besonders bei M=90° (das Bild links in der mittleren Reihe) sieht man jede Menge vertikale Streifen, in denen die Bewegung stabil ist. Das liegt an den eben angesprochenen Resonanzen. Hier stehen die Umlaufzeiten von Planet und Testteilchen in einem ganzzahligen Verhältnis und die Wahl der mittleren Anomalie von 90 Grad führt dazu, dass diese Anfangsbedingungen sehr stabil sind.

Wir haben auch die Stabilitätsregionen in der (a-i)-Ebene untersucht. Im Prinzip läuft hier alles so wie vorhin. Nur haben wir diesmal die Anfangswerte von großer Halbachse (a) und Bahnneigung (i) varriert und geschaut, ob stabile oder chaotische Bahnen resultieren. Hier ist das Ergebnis:

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Die Farbcodierung ist wieder so wie oben: gelb/rot heisst stabil; grün/blau heisst chaotisch. Man sieht, dass fast der gesamte Bereich stabil ist – nur in der Nähe von TrES-2b kann kein zusätzlicher Planet existieren. Es ist außerdem fast egal, wie stark die Bahn der Testteilchen gegenüber der von TrES-2b geneigt ist. Der instabile Bereich ist bei großen Inklinationen nur wenig größer als bei kleinen und nur innerhalb der Bahn von TrES-2b zeigen sich bei Inklinationen die größer sind als ~35 Grad erste Anzeichen von Chaos.

Dieses Diagramm haben wir unter der Annahme berechnet, dass sich die Testteilchen auf annähernd kreisförmigen Bahnen bewegen. Aber wie wir oben gesehen haben, muss das nicht unbedingt der Fall sein; auch exzentrische Bahnen können stabil sein. Wir haben daher die Rechnungen für verschiedene anfängliche Exzentrizitäten wiederholt.

Hier sieht man das Ergebnis für eine Anfangsexzentrizität von e=0.3:

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Der chaotische Bereich rund um TrES-2b ist deutlich gewachsen. Man erkennt außerdem wieder die streifenförmigen Muster, die auf Resonanzen hinweisen. Und direkt um die Bahn von TrES-2b (bei 0.036 AE) hat sich eine kleine “stabile” Insel gebildet – hierbei könnte es sich um Testteilchen handeln, die in einer Trojanerkonfiguration gefangen sind.

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Kommentare (4)

  1. #1 Anhaltiner
    20. Mai 2009

    Tres-2 liegt ja im Sichbereich von Kepler – wie lange wird es ungefähr dauern bis man einen weiteren Planeten bestätigen kann? (Ich habe aus den maximal 0,183AE aus deinen Berechnungen eine Umlaufdauer von maximal 28,65Tagen errechnet – bei 3 Umläufen komme ich auf ca 3 Monate – kann man das so rechnen?)

  2. #2 Christian A.
    20. Mai 2009

    Schöner Artikel! Ich hab da zwei Fragen:
    1. Du schreibst, ihr habt zwei verschiedene Integrationsmethoden angewendet. Wie sind die Bilder entstanden, habt ihr beide Methoden genommen und gemittelt, oder konnte man eine Methode als besser ansehen?

    2. Ich kann mir Planeten auf so engen Bahnen nicht recht vorstellen. TrES-2 dürfte doch einen mittleren Radius ca. 7*10^5 km haben. Dann hat die Bahn vom bekannten Planeten einen Radius von 0,036 AE, das wären ca. 9*10^6 km, also ungefähr das zehnfache. Ein Planet, der noch enger wäre, also z.B. 0,014AE, sollte 4*10^6 km vom Mittelpunkt der Sonne entfernt sein, also ziemlich nahe dran. Ich stell mir das immer so vor, dass der in der ausgedehnten Sonnenatmosphäre durch Reibung Energie verliert. Gibts dazu allgemeine Ergebnisse?

    Und jetzt ist mir das andere 2. eingefallen, und das ist wohl eine geschlossene Frage, aus den Bahnparametern der Testplaneten kann man keine Rückschlüsse ziehen, inwieweit sie wenn man ihnen Masse zuweist die beiden großen Körper stören, richtig?

  3. #3 Florian Freistetter
    20. Mai 2009

    @Anhaltiner: Hmm – da muss natürlich auch jede Menge Datenreduktion und ähnliches gemacht werden. Das kann dann durchaus länger dauern.

    @Christian A.: Das hab ich nicht dazugesagt – die (a-e) und (a-i) Bilder haben wir mit Bulirsch-Stoer gerechnet; die Resonanzen mit dem Lie-Integrator.

    Zur zweiten Frage: Hmm – das müsste man mal nachrechnen, wie stark hier die Reibungskraft ist, die der Sonnenwind ausübt. Rein gefühlsmäßig würde ich sagen, dass da nicht viel ist. Aber ich kann mich irren – auf dem Gebiet kenn ich mich nicht so gut aus. Ich werd das mal für den nächsten Artikel recherchieren.

    Und die andere zweite Frage ist knifflig. Man kann es schon ein bisschen abschätzen – aber da das 3-Körperproblem ja nicht analytisch lösbar ist, kann man eigentlich nicht sagen, wie sich 3 Körper mit Masse verhalten. Das müsste man erst rechnen. Aber wenn man die Testkörper als Näherung für etwa Erdgroße Planeten nimmt, dann stimmt das mit dem “masselos” recht gut. Da sind keine allzu dramatischen Änderungen zu erwarten.

  4. #4 Christian A.
    20. Mai 2009

    @Florian: Hmm, ja, erwartet habe ich nichts in diese Richtung, aber es wäre ziemlich cool gewesen, hätt es eine Möglichkeit gegeben aus der leichten Störung der Bahn des bekannten Planeten Rückschlüsse (bzw aus den Abweichungen zu den erwarteten Zeiten) zu ziehen auf die Simulationen bzw. umgekehrt.