Planeten bewegen sich. Sie drehen sich um ihre eigene Achse. Sie bewegen sich um ihren Stern herum. Aber um diese Bewegung geht es heute nicht. Diese Arten der Bewegung wären auch schwer zu stoppen, wenn man den Planeten dabei nicht komplett zerstören will. Es geht um die sogenannte Migration. Dieses Phänomen habe ich hier sehr ausführlich erklärt. Kurz gesagt geht es darum, dass viele Planeten nicht dort entstanden sind, wo sie sich heute befinden. Sie haben sich im Laufe der Zeit nicht nur um den Stern bewegt, sondern auch auf ihn zu. Und diese Bewegung muss gestoppt werden, wenn der Planet nicht mit dem Stern kollidieren will. Aber wie?

Das Phänomen der Migration entdeckte man, nachdem man die ersten extrasolaren Planeten entdeckt hatte. Denn das waren sogenannte “Hot Jupiters”; also Gasriesen, die sich enorm nahe in ihren Sternen befanden. Dort konnte sie aber nicht entstehen, denn damit ein Planet so groß werden kann wie die Gasriesen, braucht er ausreichend Baumaterial. Das gibt es in der Frühzeit der Planetenentstehung aber nur weit weg vom Stern. In der Nähe des Sterns ist es warm und dort befinden sich nur Staub und Gas. Weiter weg, wo es kühl ist, hinter der sogenannten “Schneelinie”, existiert aber neben dem Staub auch noch gefrorenes Material. Und nur dieses Eis reicht zusammen mit dem Staub aus, die Planeten so schwer zu machen, dass sie dann auch noch das ganze Gas an sich ziehen und festhalten können. Die nach 1995 entdeckten Gasriesen, die ihre Sterne in extrem geringen Abstand umkreisten, konnten also nicht dort entstanden sein. Sie mussten sich weiter weg vom Stern gebildet haben und dann weiter nach innen gerückt sein.

Der Mechanismus der das möglich macht, ist die Migration. Wenn man bei der Berechnung der Bewegung der Planeten nicht nur die Gravitationskraft zwischen Planet und Stern berücksichtigt, sondern auch die Wechselwirkung zwischen dem Planeten und den ganzen Gas- und Staubteilchen, die ja damals im noch jungen System vorhanden waren, dann zeigt sich, dass diese Interaktion zu einer langsamen Wanderung in Richtung des Sterns führt. Die Bahn des Planeten wird immer enger und enger und wenn das immer so weiter gehen würde, würde er irgendwann mit dem Stern kollidieren und dabei zerstört werden.

Aber offensichtlich passiert das nicht. Anscheinend gibt es irgendeinen Mechanismus, der diese Migration wieder stoppt, denn sonst würden wir die ganzen Hot Jupiters ja nicht beobachten. Allerdings wusste niemand so recht, welcher Mechanismus das war. Die Theoretiker hatten verschiedene Modelle vorgeschlagen, aber keine Ahnung, was im Universum wirklich passiert. Mittlerweile ist aber ein bisschen Zeit vergangen und wir haben sehr viel mehr Planeten entdeckt. Genug, um die diversen Thesen zu überprüfen. Genau das haben Peter Plavchan und Christopher Bilinski vom CalTech und der Universität Arizona gemacht. In ihrer Arbeit mit dem Titel >”Stars Don’t Eat Their Young Migrating Planets – Empirical Constraints On Planet Migration Halting Mechanisms” haben sie drei Mechanismen des Migrationsstops anhand konkreter Beobachtungen überprüft.

Modell 1 besagt, dass die Migration durch Gezeitenkräfte beendet wird. Denn das große Problem bei der Migration sind ja die stark elliptischen Bahnen, die diese Planeten haben beziehungsweise im Laufe ihrer Migration bekommen. Selbst wenn Gas und Staub schon verschwunden sind, hat der Planet immer noch die stark elliptische Bahn, die er durch die Interaktion mit den Kleinkörpern bekommen hat. Und elliptische Bahnen sind immer problematisch und potentiell instabil. Aber je näher der Planet dem seinem Stern kommt, desto stärker werden die Gezeitenkräfte die von dort auf ihn wirken. Was dabei genau passiert, ist ziemlich komplex und hat mit der Auswirkung der Gezeitenkräfte auf die Rotationsachse des Planeten zu tun (“Spin-Orbit-Resonanzen”) und mit dem Austausch von Drehimpuls und dem Zusammenhang zwischen der Bewegung des Planeten und seiner Bahn (“Kozai-Mechanismus”). Am Ende führt die Gezeitenkraft des Sterns aber dazu, dass die Bahn des Planeten immer weniger elliptisch wird. Er landet auf einer kreisförmigen Bahn in der Nähe des Sterns und bleibt von da an stabil.

1 / 2 / Auf einer Seite lesen

Kommentare (12)

  1. #1 Wurgl
    10. Juni 2013

    Passt nicht ganz zum Thema, in der aktuellen SdW ist ein Artikel zur Entstehung von Planeten. Und dort wird etwas angemerkt, dass mir bisher so gar nicht in den Sinn gekommen ist. Die Gasscheibe dreht sich etwas langsamer um den Zentralkörper als es Staubteilchen tun und der Grund nennt sich thermischer Druck.

  2. #2 White-Gandalf
    MV
    10. Juni 2013

    Die Sache wird – ebenso wie die Änderung der Mondbahn über die Jahrmilliarden hinweg – besonders leicht verständlich, wenn man bereit ist, sein Denken auf die Ebene von Energieerhaltungssätzen zu verlagern. Also mal eben außen vorläßt, die ganz konkreten Kräfte betrachten zu wollen, die das Verhalten verursachen.

    Der Erhaltungssatz vom Drehimpuls ist es, der hier auch Leuten zur Einsicht verhilft, die nicht über einen Millionenschweren Simulationsrechner verfügen:

    Der Drehimpuls in einem (relativ) abgeschlossenen System bleibt konstant. Die Gruppierung Sonne-Planet IST für unseren Betrachtungsrahmen hier ein (hinreichend) abgeschlossenes System.

    Der Drehimpuls kann auf genau zwei Arten im System “gespeichert” sein:

    a) als Eigenrotation der Körper
    b) als Rotation der Körper umeinander

    Wenn durch Gezeitenkräfte die Eigenrotation gebremst wird, bauen sich aufgrund des Impulserhaltungssatzes Kräfte auf (wie auch immer), die den Drehimpuls aus der Eigenrotation in die Rotation der Körper umeinander “verlagern”. Was nichts anderes heißt, als daß die Bahn eines Planeten um seine Sonne (oder eines Mondes um seinen Palneten) angehoben werden muß. Wenn sowas bei stark elliptischen Bahnen geschieht, bauen sich diese Kräfte, die die Anhebung bewirken, natürlich immer genau dann auf, wenn der Planet (oder Mond) seinem Zentralkörper gerade am nächsten gekommen ist. Am jeweils tiefsten Punkt der Bahn wird diese also jeweils am stärksten angehoben.

    Daraus folgt dann, daß alle derartigen Rotationssysteme im astronomischen Maßstab eine Tendenz dazu entwickeln, die Rotationsbewegung zu einer kreisförmigen auszugleichen. Sofern sie genug Zeit dafür finden und genug Potential zur Impulsverschiebung vorhanden ist.

    Es erfolgt bei diesen Prozessen AUCH eine Umwandlung von Bewegungs- in Wärmeenergie. Nichtsdestotrotz bleiben Impulse (lineare wie Drehimpulse) bei solchen Energieumwandlungen aber erhalten. Dies ergibt sich schon allein aus der stets exakten Spiegelsymmetrie von allen wie auch immer wirkenden Kräften.

    =============

    Danke übrigens für den Artikel, der mich dazu angeregt hat, mein Denken mal in diese Richtung laufen zu lassen. Ich war bisher immer skeptisch zu den Erklärungen bezüglich Änderung der Mondbahn über die letzten Jahrmilliarden hinweg. Jetzt habe ich endlich die für Nicht-Freaks ausreichende Erklärung gefunden.

  3. #3 Snofru
    10. Juni 2013

    “Aber offensichtlich passiert das nicht.”

    Warum ist das so offensichtlich? Wäre es nicht auch möglich, dass man bei den gefundenen Planeten einfach gutes Timing hatte? Würde man später schauen, wären sie bereits zerstört worden, und hätte man früher geschaut, wären sie noch zu weit vom Stern entfernt.

  4. #4 Florian Freistetter
    10. Juni 2013

    @Snofru: “Warum ist das so offensichtlich? Wäre es nicht auch möglich, dass man bei den gefundenen Planeten einfach gutes Timing hatte? Würde man später schauen, wären sie bereits zerstört worden, und hätte man früher geschaut, wären sie noch zu weit vom Stern entfernt.”

    Also das wäre EXTREM unwahrscheinlich. So eine Migration geht – astronomisch gesehen – enorm schnell. Das dauert ein paar Millionen Jahre. Wenn die immer in der Zerstörung des Planeten enden würde, wäre es extrem unwahrscheinlich, dass wir das zufällig sehen und noch dazu so oft.

    Hinzu kommt: Migration findet nur in der Anfangszeit eines Planetensystems statt, wenn noch genug Gas und Staub vorhanden ist. Wir wissen aber, dass sehr viele der Planetensysteme mit Hot Jupiters KEINE jungen Systeme mehr sind. Die Migration muss dort schon seit ein paar Milliarden Jahren gestoppt haben.

  5. #5 Zweibäume
    10. Juni 2013

    Diese Erklärungen gefallen mir nicht. Es gibt keine anderen Mechanismen als die bekannten Naturgesetze. Auch eine Drehimpulsübertragung hat seine Ursache in den elementaren Gesetzen.

    Saturns Ringsystem ist kein Überbleibsel von seiner Geburt sondern es handelt sich hierbei um Himmelskörper, welche irgendwann dem Saturn einmal zunahe gekommen sind und dann hat es sie zerrissen (Rochegrenze). Der Saturn hat eine Tageslänge von rund 10,75 h. Die Umlaufzeit unterhalb von ca. 110000 km Radius ist kleiner als die Rotationszeit vom Saturn. Alles, was in innerhalb dieses Bereiches vom Saturn bewirkt wird, überträgt daher an Saturn Drehmoment infolge der Gezeitenkräfte. Dies bewirkt letztlich Absturz auf Saturn.

    Alles, was oberhalb dieses Radiuses sich befindet, hat eine Umlaufzeit größer als die Rotationsperiode und wird ebenfalls durch die Gezeitenkräfte bewirkt, aber erfährt eine Drehmomentübertragung vom Saturn und wird daher nach außen weggetrieben.

    Je größer der Drehzahlunterschied ist, desto größer wird auch die jeweilige Drehmomentübertragung für beide Richtungen sein. Daher ist zu erwarten, daß sowohl in Oberflächennähe als auch weiter draußen eine geringe Ringdichte auftritt.

    Die primären zerrissenen Himmelskörper können unterschiedliche Dichten gehabt haben und daher können Verdichtungen in bestimmten Abständen auf diesen Zerreißpunkt hindeuten.

    Eine einmal entstandene Masseringstruktur hat dazu noch eine eigene Gravitationswirkung, welche sich von der einer Punktmasse erheblich unterschieidet. Dann kann man nicht mehr das bekannte 1/r² Gesetz anwenden sondern muß die Wirkungen über den Ring integrieren. Dann ergibt sich auch, daß die Sterne der Milchstraße Bahngeschwindigkeiten haben müssen, welche nahezu unabhängig vom Zentrumsabstand konstant sind.

    Am inneren Rand eines Rings tritt noch etwas auf. Ein in Richtung Drehachse entfleuchtes Stäubchen tendiert dazu, an den Innenrand gezogen zu werden, wird also vom Ringinnenrand angezogen. Jedenfalls wenn man den Ring sich als eine homogene Unterlegscheibe vorstellt bzw. deren Wirkung berechnet.

    Es passiert also sehr viel, aber alles entspricht nur der Überlagerung elementarster Vorgänge. Masse, Geschwindigkeit, Rotation, Feld.

    Dann sieht man auch, daß der Saturn aufgrund seiner hohen Drehzahl und seiner Verformung selbst ein sehr starkes Quadrupolmoment haben muß und daher sowieso schon stark zur Ringbildung beiträgt. Eine von außen anfliegender Himmelskörper wird daher sehr schnell in eine kreisförmige Umlaufbahn gezwungen.

    Saturns Ringsystem hat nichts zu seiner Bildung beitragen können. Der Saturn besteht nämlich atomar aus anderen Bestandteilen als sein Ringsystem. Kein einziger Planet im Sonnensystem, kein einziger Mond, kein einziger Himmelskörper hat denselben atomaren Aufbau wie ein anderer. Und deshalb kann die übliche Sonnensystembildungsvorstellung nicht wahr sein. Aber dazu will ich mich nicht äußern.

    Ich frage mich zudem, weshalb die Autoren sich nicht auf den Saturn beschränken, den man nun wirklich ganz gut beobachten kann. Daran muß man sein Modell testen und nicht an irgendwelchen Exoplaneten, von denen man wirklich gar nichts weiß und nur auf wildeste Vermutungen angewiesen ist.

    @Florian Freistetter

    Mal eine ganz persönliche Frage an dich: Hast du schon einmal versucht, unser Planetensystem zu simulieren? Ich frage aus dem einfachen Grund, weil ich das schon einmal gemacht habe und dabei bin ich kräftig auf die Schnauze gefallen 🙂

    Anfangsdaten und Enddaten waren NASA-Daten. Positionen, Geschwindigkeiten und Massen zu einem Zeitpunkt. Dann nach 2 Monaten der Vergleich mit den Enddaten. Böses Erwachen. Die Erde ging um rund 1 Stunde falsch. Andere HK weniger und alles war recht durcheinander, erkennbar ohne Abstandsabhängigkeit.

    Das Integrationsverfahren selbst war hochgenau und der Rechenfehler lag noch unterhalb einer Millisekunde. Die Gravitationskonstante hatte ich auch schon auf minimalen Fehler optimiert und nicht die normal bekannte verwendet.

    Auch Einflüsse von interplanetarem Staub konnten das Verhalten nicht erklären. Letztlich hatte ich dann den Verdacht, daß die Himmelskörper vielleicht auch noch elektrisch geladen sind und sich daher auch etwas abstoßen. Aber da kam mir dann etwas dazwischen, sodaß ich dies nicht weiter untersuchte.

    Desweiteren fiel mir bei den NASA-Daten auf, daß die direkt das Produkt G*m angegeben hatten und auch m alleine. Daraus kann man schließlich sich auch G ausrechnen. Dabei zeigte sich für jeden Planeten ein anderer Wert von G und zwar erinnerlich um bis zu 0,5 % Unterschied!

    Sind dir diese Probleme bekannt?

    Hier meine Ergebnisse:
    http://imageshack.us/a/img594/2089/sonnensystemabweichung.png

    Die Himmelskörper sind von 1 bis 9 nummeriert. x bedeutet Nasawert, x.1 bedeutet errechneter Wert und x.2 ist die Differenz von x-x.1 in m und m/s für die x, y, z Koordinaten. Die letzten beiden Spalten ist die interessantesten. Sie enthält die die Abweichung zum Nasawert in Meter und die zeitliche Abweichung in “Flugzeit” des jeweiligen Himmelskörpers. Die Monde der Planeten sind in den Planetenmassen mit berücksichtigt.

    Demnach zeigt sich beim Mars nach 61 Tagen eine Abweichung von 1200 m entsprechend 0,05 Flugsekunden.

    Die Werte sind der besseren Lesbarkeit gerundet angegeben.

    Hm, da fällt mir gerade ein, daß ich vielleicht die Ausgangsdaten doch nicht richtig verrechnet habe. Schließlich kann ich nicht den Erdschwerpunkt als Erde-Mondschwerpunkt nehmen und die Erdgeschwindigkeiten unkorrigiert lassen. Ich werde also zumindest einmal den Mond als eigenständigen Himmelskörper mit berücksichtigen und zu gegebener Zeit vom potentiellen Erfolg berichten 🙂

  6. #6 Florian Freistetter
    10. Juni 2013

    @Zweibäume: “Mal eine ganz persönliche Frage an dich: Hast du schon einmal versucht, unser Planetensystem zu simulieren? Ich frage aus dem einfachen Grund, weil ich das schon einmal gemacht habe und dabei bin ich kräftig auf die Schnauze gefallen

    Ähm, ja. Als Himmelsmechaniker war genau das jahrelang mein Job an der Uni. Ich hab darüber auch ausführlich gebloggt:

    http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/03/ordnung-und-chaos-in-extrasolaren-planetensystemen-teil-1-probleme-mit-den-parametern.php
    http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/04/ordnung-und-chaos-in-extrasolaren-planetensystemen-teil-2-wie-man-simuliert.php
    http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/04/ordnung-und-chaos-in-extrasolaren-planetensystemen-teil-3-wie-misst-man-chaos.php
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/05/20/ordnung-und-chaos-in-extrasolaren-planetensystemen-teil-4-die-dynamik-des-tres2-systems/

    Und hier ganz ausführlich eine Erklärung zur numerischen Integration: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/04/06/mercury-ein-professionelles-programm-zur-simulation-der-planetenbewegung/

    “Saturns Ringsystem ist kein Überbleibsel von seiner Geburt sondern es handelt sich hierbei um Himmelskörper, welche irgendwann dem Saturn einmal zunahe gekommen sind und dann hat es sie zerrissen “

    Hab ich irgendwas verpasst? Wo hat denn jemand über Saturn geredet?

    “Ich frage mich zudem, weshalb die Autoren sich nicht auf den Saturn beschränken, den man nun wirklich ganz gut beobachten kann”

    Weil das ein völlig anderes Thema ist? Weil es hier um die Migration von Planeten nach ihrer Entstehung geht und nicht um die Dynamik der Teilchen in den Saturnringen?? Ich verstehe gerade absolut nicht, um was es hier geht. Das eine hat mit dem anderen nichts zu tun. Du kannst ja gerne den Fachartikel lesen (ist verlinkt).

  7. #7 AmbiValent
    10. Juni 2013

    @Florian
    Damit der Gezeiteneffekt den Planeten bremsen kann, müsste meiner Meinung nach der Planet im Periastron eine kleinere Winkelgeschwindigkeit haben als die Rotation seines Sterns, ansonsten würden die Gezeitenkräfte ihn nicht bremsen, sondern weiter hinein ziehen.

    Bei der langsamen Rotation der Sonne müsste ein Planet also entweder spätestens etwa in der Merkurbahn aufgehalten werden, oder er würde in die Sonne stürzen. Oder steckt in meinem Modell ein Denkfehler?

  8. #8 Basilius
    Deviluke
    10. Juni 2013

    @Florian Freistetter
    Beim Zweibäume dürfte es sich um den Herrn Inschenör vom Keshe-Artikel drüben handeln (siehe: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2012/09/05/die-keshe-foundation-wissenschaftliche-revolution-oder-unsinn/#comment-205525 ), der mit seinen Perpetuum Mobiles (ja ich schreib das jetzt mal so) den Einstein und Heisenberg wegdiskutieren will.
    .
    Ich denke nicht, daß eine weitere Beschäftigung mit Ein- oder Zwei-Bäumen lohnend sein könnte.
    ^_^

  9. #9 PDP10
    10. Juni 2013

    @Florian:

    ” Aber je näher der Planet dem seinem Stern kommt”

    Einmal kurz im Rheinland gewesen (letzten Freitag) und schon benutzt du den rheinischen Genitiv? 😉

  10. #10 Zweibäume
    11. Juni 2013

    @Basileius 8

    Glaubst du tatsächlich, daß alle so blöd sind um nicht zu merken, um welches Geistes Kind es sich bei mir handelt?

    Du zeigst durch deinen Beitrag, daß du dich auf der wohl niedrigst denkbaren Erkenntnisstufe bewegst. Du hast jemanden wiedererkannt. Zumindest nach langer Übung.

    @Florian
    Ich habe erkannt, daß mir offensichtlich bei der Erde-Mondzusammenlegung ein grober Fehler unterlaufen ist und daher mein Fehler rührt. Manchmal dauert es eben einige Zeit, bis der Erkenntnisblitz erbarmungslos zuschlägt. Ansonsten kann ich natürlich “selbst” recht gut integrieren und bin mir durchaus bewußt, daß ein Positionsfehler von 100 my nach 1000 Mondumläufen eigentlich relativ bedeutungslos ist. Ich beherrsche als Ingenieur sogar die Schrittenweitensteuerung in “kritischen” Fällen. Insofern ging deine wohlmeinende Belehrung am Zielobjekt vorbei. Ich brauche keine Beleerungen beim Integrieren von einfachen Differentialgleichungen mit N Körpern, welche ich schon vor 50 Jahren als Bub umhergeschubst habe. Im Simultanschussern war ich echt gut!

  11. #11 rolak
    11. Juni 2013

    rheinischen Genitiv?

    Aber nicht doch, PDP10, da ist nicht etwa der Bezug verschüttgegangen (‘der Planet dem Systembesitzer seinem Stern kommt’), sondern das eklige WP hat ein paar Sonderzeichen geschluckt, mit denen eine offene Alternative angeboten werden sollte:

    “dem”|”seinem”

    Eher lästig, daß mein Hirn dergleichen sang- und klanglos als ‘des paßt scho’ überliest…

  12. #12 Florian Freistetter
    11. Juni 2013

    @Zweibäume: “Ich brauche keine Beleerungen beim Integrieren von einfachen Differentialgleichungen mit N Körpern, welche ich schon vor 50 Jahren als Bub umhergeschubst habe. Im Simultanschussern war ich echt gut!”

    Weisst du, ich hab dich auch weder belehrt (und schon gar nicht beleert). Du hast gefragt, ob ich Ahnung von Sonnensystemsimulation habe. Und ich habe Artikel verlinkt, in denen ich über genau dieses Thema geschrieben habe. Tut mir leid, dass du dich durch meine Antwort auf deine Frage genervt fühlst. Ich kann dir versprechen, es wird nicht wieder vorkommen. Du warst ja eh schon als Bub ein Mathegenie, da wirst du keine Hilfe von mir brauchen und kannst dir deine Fragen auch selbst beantworten.