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Astrophysik : System von Exoplaneten ins rechte Licht gerückt

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Die drei Begleiter (b,c und d) des Sterns HR 8799 auf einer Infrarot-Aufnahme des Keck-Teleskops auf Hawaii. Bild: C. Marois et al., NRC Canada

Mit Modellrechnungen hat eine Forschergruppe der Universität Jena ein realistisches Gesamtbild des Sterns HR 8799 und seiner drei im Vorjahr entdeckten Begleiter entworfen.

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          Im vergangenen Jahr haben kanadische Astronomen drei Objekte in der Nachbarschaft des rund 130 Lichtjahre entfernten Sterns HR 8799 im Sternbild Pegasus entdeckt, die sie sogleich als Planeten einordneten. Im Spektrum dieses Sterns hatte man schon in den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts Hinweise auf die Existenz einer Materiescheibe gefunden. Jetzt ist es einer Forschergruppe um Martin Reidemeister von der Universität Jena gelungen, aus unterschiedlichen Einzelbeobachtungen ein realistisches Gesamtbild dieses Planetensystems herzuleiten.

          Da die drei Begleiter fotografisch nachgewiesen worden waren, müssen sie sich weit vom Zentralstern entfernt bewegen. Die Helligkeiten der Exoplaneten weisen außerdem auf beachtliche Durchmesser dieser Objekte und damit auf beträchtliche Massen hin. Aufgrund der großen Abstände vom Zentralstern bleibt dessen durch die Umlaufbewegung der Planeten erzwungene tänzelnde Ausgleichsbewegung weit unter der Nachweisgrenze.

          Ein eher junges System

          Die Massen haben die Forscher aus Jena anhand von Entwicklungsmodellen aus der gemessenen Wärmestrahlung der Objekte und aus deren hypothetischem Verhalten bei Abkühlung hergeleitet. Dazu mussten sie allerdings das Alter des Planetensystems kennen. Schon die Existenz ausgedehnter Staubgürtel um den Stern deutete auf ein eher junges, etwa 30 bis 50 Millionen Jahre altes System hin, was sich durch zusätzliche Argumente stützen ließ. Mit dem Modell schätzte man schließlich den inneren Planeten auf fünf bis elf Jupitermassen ein und fand für die beiden äußeren Planeten sieben beziehungsweise 13 Jupitermassen.

          Für die Abschätzung der Planetenabstände vom Zentralstern war es erforderlich, die räumliche Lage der Planetenbahnen zu ermitteln. Aus periodischen Helligkeitsschwankungen des Sterns, seiner Rotationsgeschwindigkeit und seinem aus Spektrum, Entfernung und Helligkeit rekonstruierten Durchmesser leiteten die Forscher eine wahrscheinlichste Achsneigung zwischen 10 und 30 Grad relativ zur Blickrichtung her. Die Astronomen blicken also fast "von oben" auf das Planetensystem und die Staubringe. Die Planetenabstände entsprechen, wie die Daten schließlich zeigten, den rund 24-, 38- und 68fachen Distanzen von der Erde zur Sonne. Und die seit langem bekannte überschüssige Infrarotstrahlung aus der unmittelbaren Umgebung des Sterns stammt offenbar von zwei getrennten Staubgürteln, von denen der eine zwischen drei- und fünfzehnmal so weit von dem Stern entfernt ist wie die Erde von der Sonne und der andere etwa 90- bis 150-mal.

          Ausgedünnte Schuttgürtel

          Simulationsrechnungen zeigten außerdem, dass die Bahnen der Planeten in dem System längerfristig desto eher stabil bleiben, je geringer ihre Massen sind. Massereichere Planeten können nur dann Bestand haben, wenn sich ihre Umlaufbahnen zu einem sogenannten doppelt-resonanten System mit Umlaufzeiten in einem Verhältnis von etwa vier zu zwei zu eins entwickeln. Einer solchen Anordnung folgen zum Beispiel die Bahnen der drei inneren großen Jupitermonde Io, Europa und Ganymed. Die Abstände und Relativbewegungen der beobachteten Exoplaneten dagegen weisen die entsprechenden Voraussetzungen nicht auf.

          Unabhängig davon haben die drei Objekte den inneren und den äußeren "Schuttgürtel" des Sterns offenbar so stark ausgedünnt, dass die verbliebenen Mengen an Staubteilchen nicht ausreichen, die Intensität der gemessenen Infrarotstrahlung aus diesen Zonen vollständig zu erklären. Beide Ergebnisse, so die Forscher in ihrem Bericht für die Zeitschrift "Astronomy and Astrophysics", seien als weitere Hinweise auf die Jugend des Systems anzusehen.

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