Forschungsbericht 2012 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

Ulkig, diese aufgeblähten, heißen Jupiter

Autoren
Spruit, Henk C.; Martin, Eduardo L.
Abteilungen
Hochenergie-Astrophysik (Rashid Sunyaev)
Zusammenfassung
Bis heute haben Astronomen mehr als 500 „Exoplaneten“ gefunden, also Planeten, die um andere Sterne kreisen. Darunter gibt es eine Gruppe besonders großer Planeten, deren Bahn um ihren Stern sehr eng ist, die sogenannten „heißen Jupiter“. Die Masse dieser Planeten ist ähnlich der unseres Jupiters, sie sind allerdings oft viel größer, was darauf hinweist, dass sie im Inneren viel heißer sind.

Die gezielte Suche nach „Exoplaneten“, also Planeten, die um andere Sterne kreisen, hat bis jetzt 500 Objekte geliefert. Dank neuen Teleskopen in einer Erdumlaufbahn wächst die Zahl rasant. Es gibt darunter eine Gruppe großer Planeten, deren Bahn um ihren „Wirtsstern“ sehr eng ist: die sogenannten „heißen Jupiter“, mit Umlaufbahnen von 2–5 Tagen [1]. Die Masse dieser Planeten ist ähnlich der unseres Jupiters, sie sind aber oft bis zu 3-mal größer. Wie Jupiter (und auch der Zentralstern selbst) bestehen sie aus Gas, hauptsächlich Wasserstoff. Die Ausdehnung solcher Gaskugeln wird durch die Temperatur in ihren Inneren bestimmt: Je höher die Temperatur, desto stärker dehnt sich die Gaskugel aus. Aufgrund ihrer Größe müssen diese aufgeblähten Planeten also heißer als unser Jupiter sein. Sich selbst überlassen kühlt so ein anfänglich heißer Planet schnell durch Strahlung von seiner Oberfläche ab und schrumpft in 10–100 Millionen Jahren auf die Größe des Jupiters. Dies wirft allerdings ein Problem auf: Die Wirtssterne sehen nicht so aus, als wären sie erst kürzlich entstanden, es dürfte sich eher um Sterne im Alter von 2–5 Milliarden Jahren handeln. Wieso kreisen junge Planeten um alten Sterne?

Künstlerische Darstellung eines Systems von ' heißen Jupiters', mit dem Sonnen-ähnlichen Wirtsstern und der Gasscheibe woraus sie nach derVerschmelzung des Doppelsternsystem entstanden sind.

Große Planeten die so nah am Wirtsstern stehen (Abb. 1), sind viel leichter zu finden als kleine Planeten auf weiter entfernten Bahnen. Wenn man diesen Selektionseffekt korrigiert machen die heißen, aufgeblähten Jupiters vermutlich nur etwa 1% der tatsächlich vorhandenen Planetensysteme aus. Es ist also denkbar, dass es sich hier um Ausnahmefälle handelt, dass sie also anders entstanden sind als unser eigenes Sonnensystem. Der von den Autoren vorgeschlagene Entstehungsweg lässt sich wie folgt beschreiben: Die Planeten sind jung, ihre Wirtssterne dagegen nicht ganz so normal und so alt wie sie ausssehen, sondern erst vor kurzem aus Doppelsternen entstanden.

Dass so viele (wenn auch nicht alle) heiße Jupiter seltsamerweise so groß sind, ist zu einer der spannendsten Fragen in der Erforschung von Exoplaneten geworden. Viel Arbeitsaufwand wurde investiert, um ausgeklügelte Prozesse zu finden, die erklären können, wie diese Jupiters während des scheinbar langen Lebensalters ihrer Zentralsterne aufgebläht bleiben können. Der vielversprechendste Vorschlag bestand darin, dass es etwas mit der Nähe zum Wirtsstern zu tun hat. Die Strahlungswärme des Sterns heizt die Oberfläche des Planeten auf. Die Folgen für den Planeten kann man recht gut berechnen. Die Strahlungswärme wird ziemlich effizient zurückgestrahlt und dringt nur wenig ins Innere, wo sie nötig wäre, um den Planeten aufgebläht zu halten. Man bräuchte also irgendeinen zusätzlichen Prozess, um die Strahlungsenergie ins Innere zu transportieren. Die dazu vorgeschlagenen Mechanismen sind bis jetzt sehr hypothetisch.

Schematische Darstellung, wie sich beim Verschmelzen zweier Sterne Planeten bilden. Ein enges Doppelsternsystem aus zwei kleinen Sternen (a) wird immer kleiner, da die Sterne durch magnetische Winde Energie verlieren, bis sich die beiden Sterne berühren (b). Wenn die beiden Sterne verschmelzen, so sorgt das überschüssige Drehmoment dafür, dass sich eine dichte Scheibe aus Sternmaterie ausbreitet, in der sich Planeten bilden (c). Während sich die Scheibe langsam weiter ausbreitet und auflöst, stören sich die Planeten aufgrund der gegenseitigen Gravitation in ihrer Bahnbewegung, was zu exzentrischen, schiefen Bahnen aus der Scheibenebene heraus führt. In diesem Beispiel wird der kleinste Planet aus dem System geschleudert, in vielen Fällen bleibt nur ein (großer) Planet übrig, der den Stern eng umkreist.

Doppelsysteme, bestehend aus zwei relativ kleinen Sternen, mit einer Gesamtmasse von etwa einer Sonnenmasse, gibt es recht häufig. Solche Sterne sind magnetisch „aktiv“, d. h. sie haben Magnetfelder, die wie unsere Sonne einen „Sonnenwind“ antreiben. Anders als die Sonne, drehen sie sich sehr schnell, synchron mit der Bahnbewegung, was dazu führt, dass auch der Wind um einiges stärker ist. Durch diesen Wind wird Drehimpuls aus dem Doppelsternsystem abtransportiert und die Umlaufbahnen der beiden Sterne dadurch immer enger. Es kann mehrere Milliarden Jahre dauern, bis sich die beiden Sterne berühren, das Weitere läuft dann aber sehr schnell ab (Abb. 2): Die beiden Sterne verschmelzen zu einem Einzigen. Bei der Verschmelzung bleibt Drehimpuls aus der Bahnbewegung übrig, der nicht durch den Einzelstern aufgenommen werden kann. Aus diesem Überschuss bildet sich in der Ebene der ursprünglichen Bahn eine Gasscheibe, die um den neu entstandenen Stern kreist. Die Masse in dieser Scheibe reicht im Prinzip aus, um eine ganze Reihe von Riesenplaneten zu bilden, alle in der Nähe des Sterns. Sobald sie entstanden sind, werden ihre Bahnen aber durch die gegenseitige Gravitationsanziehung stark gestört. Die meisten Planeten werden dadurch wahrscheinlich entweder aus dem System hinausgeschleudert, oder verschwinden in den Wirtsstern. Es bleiben wenige (oder nur ein einzelner Planet) übrig, oft auf schiefen (oder sogar retrograden) und exzentrischen Bahnen, ganz anders als die Planetenbahnen in unserem Sonnensystem (Abb. 1). Der vielversprechendste Vorschlag bestand darin, dass es etwas mit der Nähe der heißen Jupiter zu ihren Wirtssternen zu tun hat, denn die Strahlungswärme des Sterns heizt die Oberfläche des Planeten auf. Könnte dies auch das Innere des Planeten aufheizen? Die Folgen dieser Anstrahlung für den Planeten kann mann recht gut berechnen.

1.
Martin, E. L.; Spruit, H. C.; Tata, R.
A binary merger origin for inflated hot Jupiter planets
Astronomy and Astrophysics 535, A50 (2011)
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