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Kühler Zwerg und die sieben Planeten
Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

Geschrieben am 22.02.2017 in Kategorie: Astronomie

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden- und weltraumbasierten Teleskopen entdeckt, während sie vor ihrem Mutterstern vorbeizogen, dem besonders kühlen Zwergstern TRAPPIST-1. Darunter befand sich auch das Very Large Telescope der ESO. Dem heute in der Zeitschrift Nature erschienenen Fachartikel nach liegen drei der Planeten in der bewohnbaren Zone des Sterns und könnten auf ihren Oberflächen Ozeane aus Wasser beherbergen, wodurch die Möglichkeit steigt, dass in dem Sternsystem Leben möglich ist. Das System stellt sowohl in der Anzahl an bisher gefundenen erdgroßen Planeten als auch in der Zahl von Planeten, auf denen flüssiges Wasser auf der Oberfläche möglich ist, einen neuen Rekord auf.

Astronomen gelang es mit dem Teleskop TRAPPIST–South am La Silla-Observatorium der ESO und dem Very Large Telescope (VLT) am Paranal, sowie dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA und anderen Teleskopen auf der Welt [1] die Existenz von mindestens sieben kleinen Planeten zu bestätigen, die den kühlen roten Zwergstern TRAPPIST-1 [2] umkreisen. Alle Planeten, die mit zunehmender Entfernung zum Mutterstern die Namen TRAPPIST-1b, c, d, e, f, g und h tragen, sind in der Größe mit der Erde vergleichbar [3].

Rückschlüsse auf die jeweilige Größe, Zusammensetzung und Umlaufbahn der sieben Planeten konnten die Astronomen mit Hilfe der Verringerung der gemessenen Lichtintensität des Sterns ziehen, die auftritt, wenn die Planeten am Mutterstern vorbeiziehen und ihn für diese Zeit etwas verdunkeln — ein Ereignis, das als Transit bezeichnet wird. Sie fanden heraus, dass zumindest die inneren sechs Planeten in Größe und Temperatur mit der Erde vergleichbar sind.

Michaël Gillon vom STAR-Institut der Universität Lüttich in Belgien, der Erstautor der Studie, in der die Ergebnisse präsentiert werden, ist angesichts der Funde hocherfreut: „Dieses Planetensystem ist erstaunlich — nicht nur, weil wir so viele Planeten gefunden haben, sondern auch, weil ihre Größen der der Erde alle erstaunlich gleichen!

Mit gerade einmal 8% der Sonnenmasse ist TRAPPIST-1 für stellare Verhältnisse — er ist nur geringfügig größer als der Planet Jupiter — sehr klein und erscheint, obwohl er sich relativ nahegelegen im Sternbild Wassermann (lat. Aquarius) befindet, sehr lichtschwach. Astronomen vermuten, dass solche Zwergsterne viele erdgroße Planeten auf engen Umlaufbahnen beherbergen, wodurch sie bei der Suche nach außerirdischem Leben vielversprechende Ziele sein könnten, auch wenn es sich bei TRAPPIST-1 um das erste entdeckte System dieser Art handelt.

Koautor Amaury Triaud erläutert: „Der Energieausstoß von Zwergsternen wie TRAPPIST-1 ist deutlich geringer als der unserer Sonne. Wenn es auf der Oberfläche Wasser geben soll, müssten sich Planeten auf deutlich engeren Umlaufbahnen befinden, als wir es von unserem Sonnensystem her kennen. Zum Glück scheint es, dass bei TRAPPIST-1 genau eine solch enge Anordnung vorliegt.

Das Team fand heraus, dass alle Planeten in dem System von der Größe her mit der Erde und der Venus im Sonnensystem vergleichbar oder etwas kleiner sind. Die sich ergebenden Dichten legen nahe, dass es sich zumindest bei den innersten sechs vermutlich um Gesteinsplaneten handelt.

Die Planetenumlaufbahnen sind nicht viel größer als die des galileischen Mondsystems des Jupiter und kleiner als die Umlaufbahn von Merkur im Sonnensystem. Die geringe Größe und die niedrige Temperatur von TRAPPIST-1 haben jedoch zur Folge, dass ähnlich viel Energie auf den Planeten ankommt wie auf den inneren Planeten unseres Sonnensystems; TRAPPIST-1c, d und f sind ähnlichen Energiemengen ausgesetzt wie Venus und Erde, bzw. Mars.

Eventuell könnten alle sieben Planeten, die in dem System entdeckt wurden, auf ihrer Oberfläche flüssiges Wasser besitzen, auch wenn die Entfernung der einzelnen Planeten einige von ihnen zu wahrscheinlicheren Kandidaten macht als andere. Klimamodelle deuten darauf hin, dass die innersten Planeten, TRAPPIST-1b, c und d, vermutlich zu heiß für flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche sind, außer vielleicht auf einem kleinen Bruchteil ihrer Oberflächen. Der Abstand des äußersten Planeten des Systems, TRAPPIST-1h, ist noch nicht bestätigt, außerdem ist er wahrscheinlich zu weit vom Mutterstern entfernt und damit auch zu kalt für flüssiges Wasser — vorausgesetzt, es gibt keine alternativen Aufheizprozesse [5]. TRAPPIST-1e, f und g stellen jedoch den heiligen Gral für Planeten-Jäger dar, da sie den Stern in dessen habitabler Zone umkreisen und auf der Oberfläche ganze Ozeane aus Wasser beheimaten könnten [6].

Diese neue Entdeckung macht das TRAPPIST-1-System zu einem sehr wichtigen Ziel zukünftiger Untersuchungen. Das Hubble-Weltraumteleskop von NASA/ESA sucht um den Planeten bereits nach Atmosphären. Teammitglied Emmanuël Jehin ist begeistert angesichts der Möglichkeiten in der Zukunft: „Mit der kommenden Generation an Teleskopen, wie dem European Extremely Large Telescope und dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA, sind wir bald in der Lage, nach Wasser und vielleicht sogar nach Beweisen für Leben auf diesen Planeten suchen.

Endnoten

[1] Abgesehen vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA nutzte das Team viele bodengebundene Einrichtungen: TRAPPIST–South am La Silla-Observatorium und HAWK-I am Very Large Telescope der ESO in Chile, TRAPPIST-North in Marokko, das 3,8-Meter-Teleskop UKIRT auf Hawaii, das 2-Meter-Liverpool-Teleskop und das 4-Meter-William-Herschel-Teleskop auf La Palma auf den kanarischen Inseln sowie das 1-Meter-SAAO-Teleskop in Südafrika.

[2] TRAPPIST-South (the TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South) ist ein belgisches vollautomatisches 0,6-Meter-Teleskop, das von der Universität Lüttich betrieben wird und am La Silla-Observatorium der ESO in Chile steht. Die meiste Zeit überwacht es auf der Suche nach Hinweisen für Planeten-Transits das Licht von etwa 60 der nächsten sehr kühlen Zwergsterne und Braunen Zwerge („Sterne“, die nicht massereich genug sind, um fortwährend Kernfusion in ihrem Inneren auszulösen). TRAPPIST-South und sein Zwilling TRAPPIST-North sind die Vorläufer des SPECULOOS-Systems, das derzeit am Paranal-Observatorium der ESO installiert wird.

[3] Im Frühjahr 2016 gab ein Astronomenteam, ebenfalls unter der Leitung von Michaël Gillon, die Entdeckung von drei Planeten bekannt, die TRAPPIST-1 umkreisen. Sie intensivierten ihre Nachfolgeuntersuchungen des Systems hauptsächlich wegen eines außergewöhnlichen Dreifachtransits, den sie mit dem HAWK-1-Instrument am VLT beobachteten. Dieser Transit zeigte klar, dass mindestens ein anderer unbekannter Planet den Stern umkreist. Und dass die historische Lichtkurve zum ersten Mal drei erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima zeigen, zwei davon in der habitablen Zone, die alle zur selben Zeit vor dem Stern vorbeiziehen!

[4] Dies ist eine der grundlegenden Methoden, die Astronomen nutzen, um die Existenz eines Planeten um einen Stern zu bestimmen. Sie schauen sich das Licht an, das vom Stern kommt, und prüfen, ob ein Teil des Lichts blockiert wird, wenn der Planet vor dem Mutterstern durch die Sichtlinie zur Erde wandert. Auf seiner Umlaufbahn um den Stern sind regelmäßige kleine Absenkungen der Lichtmenge zu erwarten, die vom Stern kommt, wenn der Planet vor ihm vorbeizieht.

[5] Solche Prozesse könnten Gezeitenerwärmung miteinschließen, bei der die Anziehungskraft von TRAPPIST-1 dafür sorgt, dass sich der Planet wiederholt verformt, was zu inneren Reibungskräften und damit zur Erzeugung von Wärme führt. Dieser Prozess ist die Ursache für den aktiven Vulkanismus auf Jupiters Mond Io. Wenn TRAPPIST-1h auch eine wasserstoffreiche Uratmosphäre beibehalten hat, könnte die Wärmeverlustrate sehr gering sein.

[6] Diese Entdeckung stellt auch die längste Reihe an Exoplaneten dar, deren Umlaufbahnen nahezu in Resonanz miteinander stehen. Die Astronomen haben sorgfältig gemessen, wie lange es dauert, bis jeder Planet im System TRAPPIST-1 einmal umkreist hat, und dann das Verhältnis der jeweiligen Umlaufzeit eines Planeten zu der des nächsten weiter entfernteren Nachbarns berechnet. Die innersten sechs TRAPPIST-1-Planeten haben Umlaufzeitverhältnisse mit ihren Nachbarn, die sehr nahe an einfachen Verhältnissen wie 5:3 oder 3:2 sind. Das bedeutet, dass die Planeten höchstwahrscheinlich gemeinsam weiter außen entstanden und seitdem nach innen auf ihre derzeitigen Umlaufbahnen gewandert sind. Wenn dies der Fall ist, könnten die Planeten eine niedrige Dichte besitzen und reich an flüchtigen Elementen sein, was auf eine eisige Oberfläche und/oder eine Atmosphäre hindeutet.

Quelle

ESO - Europäische Südsternwarte
Die "Europäische Organisation für astronomische Forschung in der südlichen Hemisphäre" oder auch kurz "Europäische Südsternwarte" ist ein Forschungsinstitut mit verschiedenen Observatorien.

Webseite: https://www.eso.org

Künstlerische Darstellung des TRAPPIST-1-Planetensystems
Diese künstlerische Darstellung zeigt die Sicht von der Oberfläche eines der Planeten im TRAPPIST-1-System. Mindestens sieben Planeten umkreisen den sehr kühlen Zwergstern, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Alle Planeten haben eine ähnliche Größe wie die Erde. Sie umkreisen den Stern in einer Entfernung, die flüssiges Wasser auf den Oberflächen einiger dieser Planeten ermöglicht.
© ESO / N. Bartmann / spaceengine.org
Vergleich des TRAPPIST-1-Systems mit dem inneren Sonnensystem und den galileischen Jupiter-Monden
Diese Grafik vergleicht die Umlaufbahnen der neuentdeckten Planeten um den lichtschwachen roten Stern TRAPPIST-1 mit den galileischen Monden Jupiters und dem inneren Sonnensystem. Alle um TRAPPIST-1 gefundenen Planeten umkreisen den Stern in geringerer Entfernung als Merkur die Sonne, aber da ihr Stern um einiges lichtschwächer ist, sind sie in etwa denselben Strahlungsmengen ausgesetzt wie Venus, Erde und Mars im Sonnensystem.
© ESO / O. Furtak
Vergleich des TRAPPIST-1-Systems mit dem inneren Sonnensystem und den galileischen Jupiter-Monden
Diese Grafik vergleicht die Umlaufbahnen der neuentdeckten Planeten um den lichtschwachen roten Stern TRAPPIST-1 mit den galileischen Jupiter-Monden und dem inneren Sonnensystem. Alle um TRAPPIST-1 gefundenen Planeten umkreisen den Stern in geringerer Entfernung als Merkur die Sonne, aber da ihr Stern um einiges lichtschwächer ist, sind sie in etwa denselben Strahlungsmengen ausgesetzt wie Venus, Erde und Mars im Sonnensystem.
© ESO / O. Furtak
Größenvergleich der TRAPPIST-1-Planeten mit Objekten aus dem Sonnensystem
Diese Grafik vergleicht die Größen der neuentdeckten Planeten um den lichtschwachen roten Stern TRAPPIST-1 mit den galileischen Jupiter-Monden und dem inneren Sonnensystem. Alle gefundenen Planeten um TRAPPIST-1 haben eine ähnliche Größe wie die Erde.
© ESO / O. Furtak
Lichtkurve von TRAPPIST-1, die die periodischen Einbrüche durch die Planeten-Transits zeigt
Diese Grafik zeigt die vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA und vielen anderen erdgebundenen Teleskopen gemessene sich ändernde Helligkeit des sehr kühlen Zwergsterns TRAPPIST-1 über eine Dauer von 20 Tagen im September und Oktober 2016. An vielen Stellen bricht die Helligkeit des Sterns für kurze Zeit ein und kehrt dann wieder zum normalen Niveau zurück. Diese als Transits bezeichneten Ereignisse entstehen durch einen oder mehrere der sieben Planeten des Sterns, wenn sie vor dem Stern vorbeiziehen und einen Teil des Lichts blockieren.

Der untere Teil des Diagramms zeigt, welcher der Planeten des Systems für die Transits verantwortlich ist.
© ESO / M. Gillon et al.
Die Umlaufbahnen der sieben Planeten um TRAPPIST-1
Diese Grafik zeigt die relativen Größen der Umlaufbahnen der sieben Planeten, die den sehr kühlen Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen. Der gräuliche Bereich zeigt die Ausdehnung der habitablen Zone, in der Ozeane aus flüssigem Wasser auf den Planeten existieren könnten. Über die Umlaufbahn des äußersten Planeten, TRAPPIST-1h, ist bisher noch nicht viel bekannt. Die gestrichelten Linien zeigen alternative Grenzen der habitablen Zone auf Grundlage anderer theoretischer Annahmen.
© ESO / M. Gillon et al.
VLT-Beobachtungen der Lichtkurve von TRAPPIST-1 während eines Dreifach-Transits am 11. Dezember 2015
Diese Grafik zeigt die sich ändernde Helligkeit um den lichtschwachen Zwergstern TRAPPIST-1 während eines ungewöhnlichen Transitereignisses am 11. Dezember 2015. Der Stern wurde mit dem HAWK-I-Instrument am Very Large Telescope der ESO überwacht, als drei Planeten vor der Scheibe des Sterns vorbeizogen und sein Licht teilweise blockierten. Diese historische Lichtkurve zeigt zum ersten Mal drei erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima, die am Stern vorbeiziehen und von denen zwei in der habitablen Zone liegen.
© ESO / M. Gillon et al.
Lichtkurven der sieben TRAPPIST-1-Planeten während ihres Transits
Diese Grafik zeigt, wie das Licht des lichtschwachen sehr kalten Zwergsterns TRAPPIST-1 schwächer wird, während jeder der sieben bekannten Planeten vor dem Stern vorbeizieht und einen Teil des Lichtes blockiert. Die größeren Planeten verursachen tiefere Einbrüche und die entfernteren haben längere Transits, da sie den Stern langsamer umlaufen. Diese Daten stammen aus Beobachtungen des Spitzer-Weltraumteleskops der NASA.
© ESO / M. Gillon et al.
Vergleich des TRAPPIST-1-Systems mit dem inneren Sonnensystem
Diese Grafik vergleicht die Sonne und das innere Sonnensystem mit dem TRAPPIST-1-Planetensystem. Der sehr kühle Zwergstern TRAPPIST-1 ist deutlich lichtschwächer und kleiner als die Sonne und die Planeten umkreisen ihren Mutterstern auf einer engeren Umlaufbahn als Merkur im Sonnensystem.
© ESO / O. Furtak
Der sehr kühle Zwergstern TRAPPIST-1 im Sternbild Wassermann
Diese Aufsuchkarte zeigt die Sterne, die in einer klaren dunklen Nacht mit dem bloßen Auge im Sternbild Wassermann (lat. Aquarius) zu sehen sind. Die Position des lichtschwachen und sehr roten kühlen Zwergsterns TRAPPIST-1 ist eingezeichnet. Obwohl er sich relativ nah an der Sonne befindet, ist er sehr lichtschwach in mit kleinen Teleskopen nicht sichtbar.
© ESO / IAU and Sky & Telescope
Vergleich zwischen der Sonne und dem sehr kühlen Zwegstern TRAPPIST-1
Dieses Bild zeigt maßstabsgetreu die Sonne und den sehr kühlen Zwergstern TRAPPIST-1. Der lichtschwache Stern besitzt nur etwa 11% des Durchmessers der Sonne und ist deutlich rötlicher.
© ESO
Künstlerische Darstellung aus Sicht eines Planeten im TRAPPIST-1-Planetensystem
Diese künstlerische Darstellung zeigt die Sicht direkt über der Oberfläche eines der Planeten im TRAPPIST-1-System. Mindestens sieben Planeten umkreisen diesen sehr kühlen Zwergstern, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, und haben Größen vergleichbar mit der Erde. Sie umkreisen den Stern in der richtigen Entfernung, sodass flüssiges Wasser auf der Oberfläche einiger der Planeten existieren könnte.
© ESO / N. Bartmann / spaceengine.org
Künstlerische Darstellung der Planeten im TRAPPIST-1-System und der Gesteinsplaneten im Sonnensystem
Diese Infografik zeigt künstlerische Darstellungen, wie die sieben Planeten aussehen könnten, die TRAPPIST-1 umkreisen – einschließlich möglicher Ozeane aus Wasser – im Vergleich zu Abbildungen der Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem. Zum Vergleich sind Informationen über die Größe und Umlaufzeiten aller Planeten gegeben; die TRAPPIST-1-Planeten sind alle etwa erdgroß.
© NASA
Vergleich der TRAPPIST-1-Planeten
Ein Größenvergleich der Planeten im TRAPPIST-1-System, aufgereiht, mit zunehmender Entfernung zum Mutterstern. Die Planetenoberflächen werden mit möglichen Oberflächeneigenschaften dargestellt, einschließlich Wasser, Eis und Atmosphären.
© NASA / R. Hurt / T. Pyle
Sieben Planeten umkreisen den kühlen Zwergstern TRAPPIST-1
Diese künstlerische Darstellung des TRAPPIST-1-Systems stellt alle sieben Planeten in unterschiedlichen Phasen exemplarisch dar. Wenn ein Planet, wie hier zwei der Planeten, vor der Scheibe des roten Zwergsterns vorbeizieht, reduziert sich das Sternlicht, das auf der Erde gemessen werden kann.
© NASA
Künstlerische Darstellung aus Sicht eines fernen Planeten im TRAPPIST-1-Planetensystem
Diese künstlerische Darstellung zeigt die Sicht über der Oberfläche eines der Planeten im TRAPPIST-1-System. Mindestens sieben Planeten umkreisen diesen sehr kühlen Zwergstern, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, und haben Größen vergleichbar mit der Erde. Sie umkreisen den Stern in der richtigen Entfernung, so dass flüssiges Wasser auf der Oberfläche einiger der Planeten existieren könnte.
© ESO / N. Bartmann / spaceengine.org
Künstlerische Darstellung aus Sicht eines mittleren Planeten im TRAPPIST-1-Planetensystem
Diese künstlerische Darstellung zeigt die Sicht über der Oberfläche eines der mittleren Planeten im TRAPPIST-1-System mit dem grellen Schein des Muttersterns, der auf die Gesteinsoberfläche strahlt. Mindestens sieben Planeten umkreisen diesen sehr kühlen Zwergstern, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, und haben Größen vergleichbar mit der Erde. Sie umkreisen den Stern in der richtigen Entfernung, sodass flüssiges Wasser auf der Oberfläche einiger der Planeten existieren könnte.
© ESO / N. Bartmann / spaceengine.org

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