Wie funktioniert ein Planetensystem? Das war die Frage, die mich meine ganze wissenschaftliche Laufbahn hindurch begleitet hat. Als ich Ende der 1990er Jahre angefangen habe, mich mit der Dynamik von Planetensystemen zu beschäftigen, hatten wir nur ein wirklich komplettes System, das wir studieren konnten: Unser eigenes Sonnensystem. Die paar extrasolaren Planeten, die man damals entdeckt hatten, waren bei weitem nicht genug, um allgemeingültige Aussagen zu machen. Man kannte damals fast nur Einzelplaneten. Und ein Stern, der von einem Planeten umkreist wird, ist dynamisch nicht sehr interessant.
Natürlich war davon auszugehen, dass man bei den meisten dieser Sterne noch mehr Planeten finden kann. Aber die technischen Möglichkeiten waren noch nicht gut genug dafür. Aber es gab auch noch eine zweite Möglichkeit: Kann ein Planet in einem System sich so bewegen, dass er eventuell früher vorhandene Planeten durch seine gravitativen Störungen aus dem System hinaus wirft? Oder anders gesagt: Sind die Planeten, die wir bei anderen Sternen beobachten, auch immer die Planeten, die von Anfang an vorhanden waren? Oder verliert ein Planetensystem im Laufe der Zeit Planeten?
Planetensysteme sind vielfältig (Bild: NASA Ames/Dan Fabrycky, UC Santa Cruz)
Das ist eine Frage, die sich durch reine Beobachtung nicht beantworten lässt. Wir sehen ja zwangsläufig nur das, was heute noch vorhanden ist. Was früher vielleicht auch noch da war, sehen wir nicht. Um das untersuchen zu können, brauchen wir Computersimulationen! Ganz besonders interessant ist dabei für uns natürlich die Frage nach dem Zusammenhang zwischen den gravitativen Störungen großer Planeten und der Stabilität der Bewegung erdähnlicher Planeten in der habitablen Zone eines Sterns.
In unserem Sonnensystem gibt es vier große Gasplaneten – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – und vier erdähnliche Planeten – Merkur, Venus, Erde und Mars – von denen sich die Erde (und je nach Definition auch Venus und Mars) in der habitablen Zone der Sonne befinden. Diese Konfiguration ist weitestgehend stabil (obwohl das nicht für alle Zeiten so bleiben muss). Aber muss das immer so sein? Wie sieht ein Planetensystem aus, das mehr oder weniger große Planeten hat als unseres? Was passiert, wenn die großen Planeten andere Massen haben oder andere Abstände voneinander? Wie sieht dann der Einfluss auf etwaige erdähnliche Planeten in der jeweiligen habitablen Zone aus?
Diese Frage hat sich Sonja Seppeur von der Universität Frankfurt gestellt und im Rahmen einer ausführlichen Computersimulation beantwortet (“Impact of Gas Giant Instabilities on Habitable Planets”. Sie 423 Simulationen mit 153 unterschiedlichen Planetensystemen durchgeführt. Dabei wurden zwischen zwei und sechs Gasriesen mit unterschiedlichen Massen betrachtet. Der massereichste Planet hatte dabei eine Masse zwischen ein und zwei Jupitermassen und sie waren mal näher und mal weiter entfernt von der habitablen Zone platziert. In der habitablen Zone wurden einige “Testteilchen” platziert, also Himmelskörper, die zwar von den gravitativen Störungen der Gasriesen beeinflusst werden, selbst aber keinen gravitativen Einfluss ausüben. Das ist eine übliche Technik um die Computersimulationen nicht zu kompliziert werden zu lassen und auch eine gute Annäherung an die Realität. Ein Planet wie der Mars oder die Erde hat im Vergleich zu Gasriesen wie Jupiter oder Saturn eine so geringe Masse, dass man sie durchaus vernachlässigen kann.
Die Entwicklung der unterschiedlich konfigurierten Planetensysteme wurde dann per Computersimulation (übrigens mit dem frei verfügbaren Programm das ich hier schon mal vorgestellt habe) drei Millionen Jahre lang beobachtet. So sehen die Ergebnisse aus:
Ganz oben links sind Simulationen mit zwei Gasplaneten zu sehen. In der linken Spalte des linken Bilds sieht man die Ausgangssituation vor der Simulation. Der violette und der braune Kreis sind die beiden Gasplaneten (ddie Größe des Kreises entspricht ihrer Masse) und die grünen Punkte die Testteilchen, die die erdähnlichen Planeten darstellen. Die Grenzen der habitablen Zone sind durch die senkrechten grauen Linien angegeben. Die jeweiligen Abstände der Planeten vom Stern sind in Astronomischen Einheiten (AU) angegeben (eine AU entspricht dem mittleren Abstand von Erde und Sonne) und die Skala ist logarithmisch. Die rechte Spalte des linken Bilds zeigt den Zustand
nach der Simulation. In diesem Fall sieht man, dass sich wenig verändert hat. Die erdähnlichen Planeten haben sich ein bisschen bewegt. Manchmal aber auch mehr als ein bisschen. In Lauf 11 und 2 beispielsweise sind am Ende der Simulation alle grünen Punkte verschwunden. Das heißt, dass alle erdähnlichen Planeten aus dem System geworfen wurden. Bei Lauf 1 und 3 sind zumindest noch ein paar erdähnliche Planeten übrig geblieben (und bei Lauf 25 hat es einen der erdähnlichen Planeten hinter die Gasriesen verschlagen). Man sieht aber auch, dass nicht alle Gasriesen überlebt haben: Der große Gasplanet hat es immer bis zum Ende der Simulation geschafft. Der kleinere aber manchmal nicht. Je nach Massenverhältnis und Abstand fliegt auch er aus dem System.
Im oberen rechten Bild wird es komplexer; hier sind schon drei Gasplaneten involviert. Die beiden Bilder darunter stellen die Situation mir vier und fünf Planeten dar und das letzte Bild die Simulationen mit sechs Planeten. Und da wird es dann wirklich eng. Bei fünf oder sechs Planeten überleben kaum noch erdähnliche Himmelskörper in der habitablen Zone und immer wieder fliegen auch Gasplaneten aus dem System. Bei drei oder vier Planeten geht es in den meisten Simulationen noch halbwegs gut aus.
Der Zusammenhang ist ziemlich klar. Je mehr Gasriesen, desto weniger erdähnliche Planeten überleben:
Das Massenverhältnis der Gasplaneten hat dagegen nur einen vergleichsweise geringen Einfluss (höhere Massen sind ein klein wenig besser für die erdähnlichen Planeten als niedrige); der Abstand zwischen ihnen dafür mehr: Je größer die Abstände zwischen den Gasplaneten, desto mehr erdähnliche Planeten überleben. Die Simulation hat auch gezeigt, dass es auf die Zeitskalen der Störung ankommt. Wenn das System schon nach ein paar hunderttausend Jahren die ersten Instabilitäten zeigt, dann stehen die Chancen gut, dass es recht destruktiv für die Planeten in der habitablen Zone endet. Setzen die Störungen erst später ein, können Planeten das eher langfristig überlegen. Wie schnell Störungen wirken, hängt unter anderem auch stark von den Abständen zwischen den Planeten ab. Je kompakter ein Planetensystem, desto schneller gibt es Instabiltäten. Es ist also eher unwahrscheinlich, dass wir da draußen irgendwo Planetensystemen mit vielen, eng benachtbarten Gasriesen und erdähnlichen Planeten in der habitablen Zone finden.
Sonja Seppeur bestätigt in ihren Simulationen außerdem auch noch, dass die Exzentrizität der Planetenbahnen ein gutes Maß für den dynamischen Zustand ist. Die Exzentrizität, also die Abweichung der Bahn von der Kreisform (angegeben durch eine Zahl zwischen 0 und 1, wobei 0 für einen perfekten Kreis steht), wird ja in der Himmelsmechanik schon lange als “Chaosindikator” eingesetzt. Es ist leicht zu sehen, warum: Je stärker die Bahnen von der Kreisform abweichen, desto größer ist die Chance, dass sich zwei Planeten nahe kommen bzw. dass sich ihre Bahnen kreuzen. Je kleiner die Abstände werden, desto größer werden die Störungen und desto chaotischer die ganze Angelegenheit. Seppeur hat mit den Daten ihrer Simulationen gezeigt, dass man aus dem Endzustand der Planetensysteme Rückschlüsse auf deren Vergangenheit ziehen kann: Dort wo die Exzentrizität größer als 0,4 ist (und die Bahnneigung größer als 20 Grad), kann man davon ausgehen, dass jede Menge Chaos stattgefunden hat und kaum mehr Planeten in der habitablen Zone gefunden werden können.
Und hier kommen wir am Ende von den Simulationen wieder zurück zur Realität. Denn seit den 1990er Jahren, von denen ich eingangs gesprochen habe, sind die technischen Möglichkeiten viel besser geworden. Heute können wir auch Sterne mit mehreren Planeten beobachten. Und wenn wir uns auf die Suche nach erdähnlichen Planeten in der habitablen Zone machen, ist es praktisch zu wissen, wo die Suche eher nicht erfolgreich sein wird. Immerhin gibt es da draußen wirklich viele Sterne und wir können sie nicht alle untersuchen. Und wenn wir wissen, dass Systeme mit Gasplaneten auf exzentrischen Bahnen vermutlich eine Vergangenheit haben, in der die erdähnlichen Planeten alle hopps gegangen sind, dann ist das eine wertvolle Information!
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