Bei der Beobachtung von Planeten die andere Sterne umkreisen, haben wir mittlerweile viele Systeme gefunden, in denen die Planeten ihrem Stern deutlich näher sind und in denen sich deutlich mehr Himmelskörper nahe an ihrem Stern aufhalten als bei uns. Daten des Kepler-Weltraumteleskops legen nahe, dass knapp fünf Prozent aller sonnenähnlicher Sterne von sogenannten systems of tightly-packed inner planets (STIPs) umgeben sind. Das wirft zwei Fragen auf: Sind diese Planeten in dicht besiedelten sternnahen Regionen wirklich für lange Zeiten dynamisch stabil? Und warum gibt es so etwas in unserem Sonnensystem nicht? Kathryn Volk und Brett Gladman von der University of British Columbia haben sich kürzlich daran gemacht, diese Fragen zu beantworten (“Consolidating and Crushing Exoplanets: Did it happen here?” und dabei ein paar sehr interessante Hypothesen zum Schicksal des Merkur aufgestellt.

Vereinfacht gesagt lautet die Frage: Warum gibt es keine weiteren Planeten innerhalb der Bahn des Merkur? Ok, Merkur ist der Sonne schon sehr nahe. Sein Abstand beträgt nur noch knapp 60 Millionen Kilometer (zum Vergleich: bei der Erde sind es 150 Millionen Kilometer). Aber schaut man sich viele Planetensysteme anderer Sterne an, dann wäre da noch viel Spielraum. Dort befinden sich viele Planeten wesentlich dichter an ihrem Stern; im Durchschnitt zeigen fast die Hälfte aller vom Kepler-Weltraumteleskop beobachteten Planeten einen erdgroßen Himmelskörper in einer engeren Umlaufbahn als Merkur sie hat. Und auch Modellrechnungen zur Planetenentstehung zeigen, dass es im frühen Sonnensystem durchaus Material geben hätte können, aus denen Planeten innerhalb der Merkurbahn entstehen hätten können. Warum gibt es also solche Planeten nicht?

Volk und Gladman gehen bei ihrer Arbeit von der Hypothese aus, dass alle sonnenähnlichen Sterne ursprünglich mit einem STIP entstehen, also von einem System ungefähr erdgroßer Planeten dicht am Stern entstehen. Diese Himmelskörper haben aber nicht alle Bahnen, die für sehr lange Zeiten stabil sind, sondern nur “metastabil”. In gewissem Sinne ist auch unser Sonnensystem metastabil; schon in den 1990er Jahren haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Merkur, Venus, Erde und Mars miteinander kollidieren können, wenn man nur lange genug wartet (ich habe darüber hier und hier berichtet). Während mehrerer Milliarden Jahre können sich die gravitativen Störungen zwischen den Himmelskörpern aufschaukeln, bis am Ende ein Planet aus dem System geworfen wird oder mit seinen Nachbarn zusammenstösst. Das muss nicht passieren, aber es kann und Volk und Gladman vermuten, dass es in vielen STIPs für die Vernichtung einer Planeten sorgt, so dass am Ende dann Systeme wie das unsere entstehen, in denen keine sternnahen Planeten mehr zu finden sind.

Um diese Vermutung zu überprüfen, haben sie Computersimulationen bei 13 der von Kepler beobachteten Planetensystemen mit STIPs, die mehr als 4 Planeten aufweisen, gemacht. Dabei haben sie nicht die realen Systeme simuliert, die ja offensichtlich zumindest für die Lebensdauer der jeweiligen Sterne (bis zu 10 Milliarden Jahre) stabil sind, sondern viele verschiedene Versionen der System mit kleinen Variationen betrachtet. Sie fanden dabei tatsächlich viele Kollisionen zwischen den Planeten, was in solchen eng besetzen Systemen aber auch zu erwarten ist. Wenn aus dynamischer Sicht nicht viel Platz ist, dann reichen schon geringe Veränderungen, um alles durcheinander zu bringen. Viel interessanter war aber die Beobachtung, dass die Planeten in den STIPs für sehr lange Zeiten sehr stabil um ihren Stern laufen und so gut wie keine Anzeichen für kommendes Chaos zeigen. Erst kurz bevor es wirklich zur Kollision kommt, werden ihre Bahnen exzentrischer, bis sie einander schließlich kreuzen und ein Zusammenstoß stattfindet. Ein typisches Verhalten für chaotische Systeme, die sich hart an der Grenze zur Stabilität befinden (Ich habe über das Phänomen solcher “sticky orbits” schon früher mal geschrieben). Volk und Gladman konnten zeigen, dass die Instabilitätsrate ungefähr 20 Prozent beträgt, d.h. dass nach jedem Zeitintervall die Zahl der Planetensysteme ohne Kollisionen um 20 Prozent sinkt.

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Kommentare (13)

  1. #1 Krypto
    26. Februar 2015

    Das würde ja auch zur Theorie Mondentstehung passen, oder?
    Was bei den Kepler-Beobachtungen nicht außer Acht gelassen werden darf und wahrscheinlich wohl auch wurde, ist die Tatsache, dass Kepler höhere Entdeckungswahrscheinlichkeiten für kurzperiodische Planeten in Sternnähe hatte.

  2. #2 bruno
    26. Februar 2015

    dass es in vielen STIPs für die Vernichtung einer Planeten sorgt, so dass am Ende dann Systeme wie das unsere entstehen, in denen keine sternnahen Planeten mehr zu finden sind.
    eines oder einiger (oder ganz was anderes?) lg

  3. #3 bruno
    26. Februar 2015

    @FF wieviele der bekannten “Stips” haben denn einen Stern mit annähernd Sonnenmasse?

  4. #4 Higgs-Teilchen
    26. Februar 2015

    @Krypto and Florian

    Das mit Theia habe ich mich auch gefragt. Könnte Theia innerhalb der Merkurbahn entstanden sein und dann erst in den Erdorbit geworfen worden sein?

    Lg H.

  5. #5 Higgs-Teilchen
    26. Februar 2015

    Ach nee, Wiki meint dazu, dass Theia im Lagrange-Punkt 4 entstanden ist….

  6. #6 Siskin
    26. Februar 2015

    hieße das nicht auch, dass gefundene STIP-Systeme auf relativ junge Planetensysteme schließen lassen? – oder sind die meisten gefundenen schon so aufgeräumt, dass sie über längere Zeit metastabil sind?

  7. #7 Florian Freistetter
    26. Februar 2015

    @Higgs-Teilchen: Theia wird im Artikel auch erwähnt und die Autoren meinen, dass es da eine Verbindung geben könnte.

    @Siskin: Ne, die Sterne sind durchaus alt und damit auch die Planeten. Über die REALEN Kepler-Systeme machen die Autoren ja auch keine Aussagen; die müssen notwendigerweise ja so metastabil sein wie unser Sonnensystem auch, d-h. für einige Milliarden Jahre.

    @bruno: Die Sterne um die es geht sind alle vom Typ F, G und K also alle annähernd Sonnenmasse.

  8. #8 Bullet
    27. Februar 2015

    Ach, das ist ja interessant. Ich kann mich daran erinnern, mal gehört zu haben, daß Merkur einen sehr großen Eisenkern hat – zu groß im Vergleich zu beispielsweise dem der Erde. Und das paßt prima zu einem Kollisionsszenario.

  9. #9 Franz
    27. Februar 2015

    Könnte eine alternative Erklärung nicht sein, dass man sonnennahe Planeten eher entdeckt als sonnenferne und sich somit diese Diskrepanz automatisch ergibt, weil man nur die nahen gefunden hat ? Wurde dieser Effekt ‘herausgerechnet’ ?

  10. #10 Florian Freistetter
    27. Februar 2015

    @Franz: Klar, sonnennahe Planeten finden sich leichter. Aber trotzdem bleibt die Tatsache, dass es im Sonnensystem KEINE engen Planeten gibt und anderswo schon. Die Studie beschäftigt sich ja nur mit den sternnahen Planeten; was weiter hinten abläuft ist da nicht relevant.

  11. #11 Bjoern
    28. Februar 2015

    @Florian: Ich verstehe deine Zeitangaben bei der Beschreibung des Diagramms nicht so ganz. Auf der Zeitachse steht als Einheit ja “Myr”, also wohl “Millionen Jahre”. 0.2 Myr wären aber dann 200 000 Jahre, nicht 200 Millionen Jahre. (usw.)

    @Bullet: Der große Eisenanteil von Merkur wird in dem Artikel auch genau damit erklärt. :-)

  12. #12 PDP10
    28. Februar 2015

    @Bjoern:

    “@Florian: Ich verstehe deine Zeitangaben bei der Beschreibung des Diagramms nicht so ganz. Auf der Zeitachse steht als Einheit ja “Myr”, also wohl “Millionen Jahre”.”

    Stimmt. Ich hab das nach Florians Beschreibung einfach so hingenommen als Milliarden Jahre. Dann müsste da aber Byr stehen. Bzw. müssten die X-Achsen so beschriftet sein, wie im ersten Diagramm des Papers …

    Die Erklärung zum hier von Florian wiedergegebenen Diagramm im Paper selbst, scheint mir aber auch der Achsenbeschriftung zu widersprechen.

    Ich glaube, da haben die Autoren einfach einen Fehler bei der Beschriftung ihrer Achsen um einen Faktor 1000 gemacht …

    Kann das sein? So ganz sehe ich da noch nicht durch …

  13. #13 Florian Freistetter
    28. Februar 2015

    @Bjoern: “Ich verstehe deine Zeitangaben bei der Beschreibung des Diagramms nicht so ganz. “

    Dafür gibt es einen ganz simplen Grund: Ich hab Unsinn geschrieben und statt Myr “Gyr” gelesen (Die Einheit bin ich bei Langzeitsimulationen von Planetensystemen viel eher gewohnt…).