Planeten in Doppelsternsystemen sind nicht selten. Die meisten Sterne sind nicht alleine sondern Teil eines Doppel- oder Mehrfachsystems. Genauso wie viele der bisher entdeckten Exoplaneten. Allerdings umkreisen sie dabei immer nur einen der beiden Sterne. Wenn der andere Stern ausreichend weit entfernt ist, dann besteht aus dynamischer Sicht kaum ein Unterschied zu einem Planeten, der einen Einzelstern umkreist (siehe z.B. das Bild in diesem Artikel). Auch die Planetenentstehung läuft in diesem Fall fast gleich ab. Der zweite Stern ist weit genug weg, um keinen relevanten gravitativen Einfluss darauf zu haben. Planeten, die außen um beide Sterne kreisen kannte man bis vor kurzem nicht. Letztes Jahr im September wurde aber Kepler-16 (AB)b entdeckt. Dieser Planet umkreist zwei Sterne in engen Abstand. Auch bei den Doppelsternen Kepler-34 und Kepler-35 hat man solche Planeten entdeckt. Die Planetenentstehung ist hier aber wesentlich komplizierter…

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Ein Planet kann einen Doppelstern auf zwei verschiedene Arten umkreisen

Die Grundlagen der Planetenentstehung sind leicht zu verstehen. Zu Beginn ist ein junger Stern von einer Scheibe aus Staub und Gas umgeben. Die Staubteilchen stoßen miteinander zusammen und bleiben aneinander kleben. Sie wachsen zu immer größeren Brocken, den Planetesimalen. Irgendwann sind meter- bzw. kilometergroße Felsbrocken entstanden. Auch sie kollidieren miteinander und so wachsen aus den Felsbrocken irgendwann große Planeten.

Ob bei einer Kollision zwischen zwei großen Felsbrocken im All ein neuer, noch größerer Himmelskörper entsteht oder beide sich gegenseitig zerstören, hängt von der Art und Weise ab,wie sie aufeinander treffen. Vor allem die Geschwindigkeit ist hier wichtig. Je schneller die Kollision, desto größer die Chance auf eine destruktive Kollision. Der kosmische Staub wächst dann nicht bis zu Planetengröße weiter, sondern wird wieder zu Staub. Bei einer Staubscheibe, die ein enges Doppelsternsystem umgibt, ist genau das der Fall. Die komplexeren gravitativen Störungen sorgen hier dafür, dass die Felsbrocken vermehrt stark exzentrische Bahnen haben. Sie umkreisen den Doppelstern also nicht auf kreisförmigen sondern auf sehr ovalen Bahnen. Dadurch erhöht sich auch die potentielle Kollisionsgeschwindigkeit, denn je exzentrischer eine Bahn ist, desto schneller ist der Himmelskörper, wenn er sich an seinem sternnächsten Punkt befindet (das besagt das zweite Keplersche Gesetz).

In Staubscheiben um Doppelsternen ist es also schwieriger, große Planeten aus kleinen Felsbrocken zu bauen. Die Kollisionen sind hier destruktiv und die Himmelskörper können nicht anwachsen. Oder doch? Denn ein paar konstruktive Kollision wird es trotzdem immer wieder mal geben. Einige größere Objekte könnten also vielleicht entstehen. Und da bei den restlichen Kollisionen die Himmelskörper immer zerstört werden, müssen sich die wenigen Überlebenden zwangsläufig durch große Trümmerwolken bewegen. Diese kleinen Trümmer können auf die größeren Planetesimalen fallen und sie so weiter anwachsen lassen. Das könnte reichen, um trotzdem ausgewachsene Planeten entstehen zu lassen.

Ob es auch wirklich reicht, haben Sijme-Jan Paardekooper von der Uni Cambridge in England und seine Kollegen durchgerechnet. Sie haben den Fall von Kepler-16 (AB)b simuliert. Das System sieht so aus:

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Rot und orange sind die Bahnen der beiden Sterne eingezeichnet und blau zeigt, wo sich der Planet bewegt. Zum Vergleich ist in schwarz noch die Erdbahn im gleichen Maßstab eingezeichnet. Es ist also ein wirklich enges System. Paardekooper und seine Kollegen haben die Entstehung von Planeten nun am Computer simuliert. Sie fingen mit einer Scheibe an, die aus Planetesimalen von einem Kilometer Größe besteht. Sie beobachteten, ob die Felsbrocken kollidieren und wenn ja, ob sie sich dabei zerstören oder ob sie anwachsen. Und sie untersuchten, ob die aufgesammelten Trümmer einen relevanten Einfluss haben. So sehen die Ergebnisse aus:

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Hier sehen wir das Profil der Staub- und Gasscheibe nach der Simulation. Das Diagramm zeigt an, wie viel Masse (y-Achse, in Einheiten von 1-km Planetesimale) sich in einem bestimmten Abstand (x-Achse, in Astronomischen Einheiten) vom Zentrum befindet. Die grünen Linien zeigen die Masse der Felsbrocken, die roten die des Staubs (schwarz ist die Gesamtmasse). Die durchgezogenen Linien zeigen das Ergebnis für den Fall bei dem das Aufsammeln von Material aus der Trümmerwolke berücksichtigt wurde, bei den gestrichelten Linien wurde das ignoriert.

Man sieht sofort den Unterschied zwischen den durchgezogenen und gestrichelten Linien. Wenn man einfach nur die Kollisionen berücksichtigt und ignoriert, dass die Kollisionstrümmer auch wieder aufgesammelt werden können, dann wachsen die Planetesimale kaum an (grüne gestrichelte Linie). Berücksichtigt man diesen Effekt aber, dann sinkt die Masse des Staubs (durchgezogene rote Linie) und die Masse der Planetesimale wächst (durchgezogene grüne Linie). Es können also auch in solch engen Doppelsternsystemen größere Planetesimale entstehen.

Eine detaillierte Untersuchung der Ergebnisse zeigte allerdings, dass das nicht ausreicht. Es gibt nicht genug große Planetesimale um daraus Planeten wie bei Kepler-16, Kepler-34 oder Kepler-35 entstehen zu lassen. Die Planeten sind aber trotzdem da. Wie also sind sie nun entstanden? Paardekooper et al. schlagen zwei Möglichkeiten vor. Teile der Gas- und Staubscheibe könnten durch gravitative Störungen direkt kollabieren und so direkt Planetesimale von etwa 10 Kilometer Größe zu formen. Mit diesen großen Himmelskörpern als Ausgangspunkt funktioniert der Prozess der Planetenentstehung ausreichend effizient um große Planeten entstehen zu lassen. Die Sache mit dem Gravitationskollaps ist allerdings sehr unwahrscheinlich und vor allem unnötig kompliziert. Viel wahrscheinlicher und einfacher wäre es, wenn die Planeten weiter weg vom Doppelstern entstanden sind. Weiter draußen sind die Störungen nicht so stark, von dort aus wirken die beiden Sterne im wesentlichen wie ein einziger und alles läuft normal ab. Durch die Interaktion mit den Resten der Scheibe ist der Planet dann nach seiner Entstehung näher an den Doppelstern gewandert. Diese planetare Migration ist ein bekanntes Phänomen und spricht nichts dagegen, dass es auch in diesen Systemen stattgefunden hat.

Kommentare (18)

  1. #1 SCHWAR_A
    19. Juni 2012

    @Florian Freistetter:

    Muß es denn ein Gesteins-Planet sein? Bei seiner Größe ähnlich der des Saturns wird das doch wohl eher ein Gasplanet sein, oder?

    Herzliche Grüße.

  2. #2 rolak
    19. Juni 2012

    …und Asche zu Asche.

    Falls Abstimmung zählt, entscheidet sich mein Bauchgefühl für den Planeten mit Migrationshintergrund 😉

  3. #3 Wolf
    19. Juni 2012

    Wenn wir uns das Bild S-Typ anschauen, was würde passieren wenn Stern 2 auf der gleichen Position ist wie auf dem Bild, sich Stern 1 aber rechts vom roten Punkt befindet und der Planet zwischen den Sternen?

    Geht das gar nicht?
    Würde der Planet zerrissen werden?
    Oder wäre es vielleicht sogar möglich, dass der Planet zu Stern 2 wechselt?

    “[…]Je schneller die Kollision, desto größer die Chance auf eine destruktive Kollision. Der kosmische Staub wächst dann nicht bis zu Planetengröße weiter, sondern wird wieder zu Staub.[…]”
    Dann würde aber doch wieder alles von vorne anfangen, oder?

    Bestehen eigentlich auch magnetische Kräfte zwischen den Staubpartikeln?

  4. #4 schoenix
    19. Juni 2012

    Die Jahreszeiten auf solchen Planeten sind bestimmt auch lustig (oder eben eher unlustig).

  5. #5 Florian Freistetter
    19. Juni 2012

    @Schwar_a: “Muß es denn ein Gesteins-Planet sein? Bei seiner Größe ähnlich der des Saturns wird das doch wohl eher ein Gasplanet sein, oder?”

    Auch ein Gasplanet fängt als Protoplanet aus Gestein an. Er wird nur so schnell so groß, dass er dann auch das flüchtige Gas festhalten kann und sich eine gewaltige Schicht aus Gas zulegt.

  6. #6 Florian Freistetter
    19. Juni 2012

    @Wolf: “Wenn wir uns das Bild S-Typ anschauen, was würde passieren wenn Stern 2 auf der gleichen Position ist wie auf dem Bild, sich Stern 1 aber rechts vom roten Punkt befindet und der Planet zwischen den Sternen?”

    Die zwei Sterne bewegen sich immer um ihren gemeinsamen Massenschwerpunkt. Die von dir angesprochene Konfiguration kann also nicht stattfinden. Es gibt auch keine stabilen Planetenbahnen, die von einem Stern zum anderen führen. Ein Sternwechsel ist daher auc nicht möglich.

    “Dann würde aber doch wieder alles von vorne anfangen, oder?”

    Ja, aber es würden nie Planeten entstehen.

    “Bestehen eigentlich auch magnetische Kräfte zwischen den Staubpartikeln? “

    Naja, die elektrostatischen Kräfte wirken schon. Die sind aber ab einer gewissen Größe nicht mehr relevant.

  7. #7 Alderamin
    19. Juni 2012

    @Florian

    Gibt’s nicht die Möglichkeit chaotischer Bahnen um beide Sterne? Ich erinnere mich, mal irgendwo gesehen zu haben, wie ein simulierter Planet mal eine Weile Stern 1 umkreiste, dann unvermittelt zu Stern 2 wechselte und irgend wann wieder zurück. Ich bin aber nicht sicher, ob so eine Konfiguration notwendigerweise damit enden muss, dass es den Planeten schließlich aus dem System oder in einen der Sterne treibt, was Du vermutlich mit “nicht stabil” meinst.

    Als Paradebeispiel für ein chaotische System gibt’s das magnetische Pendel, das ein ganz ähnliches Verhalten zeigt.

  8. #8 SCHWAR_A
    19. Juni 2012

    @Florian Freistetter:
    “Gasplanet fängt als Protoplanet aus Gestein an”

    OK, aber so einer benötigt weniger Planetesimale…

    Herzliche Grüße.

  9. #9 rolak
    19. Juni 2012

    Ich erinnere mich, mal irgendwo gesehen zu haben

    Ja, Alderamin, Du erinnerst richtig – und mittels Suchen im (von mir erinnerten, schwach richtigen) Kontext “planet einfangen simulation” fand ich es auch an nicht so weit entfernter Stelle.

  10. #10 rolak
    19. Juni 2012

    Das dürfte ein Fehlschluß sein, SCHWAR_A, der Saturnkern entspricht etwa 16 Erdmassen.

  11. #11 Florian Freistetter
    19. Juni 2012

    @Alderamin: “Gibt’s nicht die Möglichkeit chaotischer Bahnen um beide Sterne?”

    Sowas gibts schon. Aber so etwas ist nicht langzeitstabil, sondern eben chaotisch. Nach ein paar hunderttausend Jahren fliegt so ein Planet aus dem System oder kollidiert mit irgendwas.

  12. #12 Alderamin
    19. Juni 2012

    @SCHWAR_A

    Er muss dann aber zuerst einmal größer werden als die anderen Planeten, die es nicht zum Gasplaneten schaffen, also braucht er sogar mehr Planetesimale.

    Ich wollte vorhin das Selbe anworten wie Florian, hab’ dann aber in Wikipedia nochmal nachgeschaut, dass auch die Möglichkeit einer Fragmentation der Scheibe mit direktem Gravitationskollaps des Gases in den Fragmenten zu großen Planeten erwogen wird. In dem Fall bräuchte es gar keine Planetesimale. Die ersten Sterne der Population III konnten ja auch ohne festen Kern kollabieren. Ich denke, der tatsächliche Mechanismus ist noch nicht geklärt. Vielleicht hilft die Kepler-Mission bei der Klärung.

  13. #13 Alderamin
    19. Juni 2012

    @Rolak

    Danke für den Link auf Florians Artikel, den ich wiedererkannte. Die Simulation, von der ich sprach, meine ich jedoch vor längerer Zeit im TV gesehen zu haben. Bilder bleiben anscheinend besser im Kopf hängen als Text.

  14. #14 SCHWAR_A
    19. Juni 2012

    @rolak & Alderamin:
    Danke. Letztlich ging es mir nur darum, kritischer mit dem Argument der anscheinend begrenzten/benötigten Anzahl der Planetesimale umzugehen…

  15. #15 Alderamin
    19. Juni 2012

    Exzellenter Artikel mal wieder in der englischen Wikipedia:

    http://en.wikipedia.org/wiki/Planet_formation#Formation_of_planets

  16. #16 rolak
    19. Juni 2012

    anscheinend besser

    Oh ja, Alderamin, ich hatte sofort die Unendlichkeit vor Augen, also die liegende 8 und irgendwas mit sich verändernden, roten NoGo-Arealen. Bloß läßt sich nach einem solchen Bildarsenal ungemein schlecht suchen…

    btw: Die Suchmaske war der zweite Ansatz, fast automatisch hatte ich während des Erinnerns schon die stumpfe Frage eingetippt – war aber gar zu unspezifisch.

  17. #17 Alderamin
    19. Juni 2012

    @rolak

    Oft hilft mir die Google-Bildsuche zu einem (oder mehreren) Stichwort. Im vorliegenden Fall (mit den Stichworten “binary” “chaotic” “planet” und “orbit”) hilft sie leider nicht allzu sehr.

  18. #18 Florian Freistetter
    19. Juni 2012

    Wie es ganz allgemein mit Planeten in Doppelsternsystemen aussieht, habe ich vor ein paar Jahren schon mal beschrieben: http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/02/planeten-und-doppelsterne.php