Aus einer Pressemitteilung des Subaru Telescope und des National Astronomical Observatory of Japan:
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Astronomen der Universität Tokio und des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) hat herausgefunden, dass geneigte Umlaufbahnen für exoplanetare Systeme – solche außerhalb unseres Sonnensystems – eher typisch als selten sind. Ihre Messungen der Winkel zwischen den Achsen der Sternrotation (stellare Rotationsachse) und der Umlaufbahn des Planeten (Planetenbahnachse) der Exoplaneten HAT-P-11b und XO-4b zeigen, dass die Umlaufbahnen dieser Exoplaneten stark geneigt sind. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler den Winkel für einen kleinen Planeten wie HAT-P-11 b gemessen haben. Die neuen Erkenntnisse liefern wichtige Beobachtungsindikatoren, um verschiedene theoretische Modelle zur Entwicklung der Umlaufbahnen von Planetensystemen zu testen.
Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 haben Wissenschaftler mehr als 500 Exoplaneten identifiziert, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, von denen fast alle Riesenplaneten sind. Die meisten dieser riesigen Exoplaneten umkreisen ihre Wirtssterne eng, im Gegensatz zu den riesigen Planeten unseres Sonnensystems, wie dem Jupiter, die die Sonne aus der Ferne umkreisen. Akzeptierte Theorien gehen davon aus, dass diese Riesenplaneten ursprünglich aus reichlich vorhandenem planetenbildendem Material weit von ihren Wirtssternen entfernt entstanden und dann zu ihren aktuellen nahen Standorten gewandert sind. Verschiedene Migrationsprozesse wurden vorgeschlagen, um riesige Exoplaneten in der Nähe zu erklären.
Modelle der Migration zwischen Scheibe und Planet konzentrieren sich auf die Wechselwirkungen zwischen dem Planeten und seiner protoplanetaren Scheibe, der Scheibe, aus der er ursprünglich entstanden ist. Manchmal führen diese Wechselwirkungen zwischen der protoplanetaren Scheibe und dem sich bildenden Planeten zu Kräften, die den Planeten zum Zentralstern fallen lassen. Dieses Modell sagt voraus, dass die Rotationsachse des Sterns und die Orbitalachse des Planeten aufeinander ausgerichtet sind.
Schematische Darstellung des Rossiter-McLaughlin (RM)-Effekts. Copyright © Subaru Telescope, National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ)
Planet-Planet-Interaktionsmodelle der Migration haben sich auf die gegenseitige Streuung zwischen Riesenplaneten konzentriert. Migration kann durch Planetenstreuung auftreten, wenn sich mehrere Planeten während der Entstehung von zwei oder mehr Riesenplaneten innerhalb der protoplanetaren Scheibe zerstreuen. Während einige der Planeten aus dem System streuen, kann der innerste eine letzte Umlaufbahn sehr nahe um den Zentralstern erreichen. Ein weiteres Szenario der Planet-Planet-Interaktion, die Kozai-Migration, postuliert, dass die langfristige Gravitationsinteraktion zwischen einem inneren Riesenplaneten und einem anderen Himmelsobjekt wie einem Begleitstern oder einem äußeren Riesenplaneten im Laufe der Zeit die Umlaufbahn des Planeten verändern und einen inneren Planeten näher bewegen kann zum Zentralstern. Planet-Planet-Migrationsinteraktionen, einschließlich Planet-Planet-Streuung und Kozai-Migration, könnten eine geneigte Umlaufbahn zwischen dem Planeten und der Sternachse erzeugen.
Insgesamt erweist sich die Neigung der Bahnachsen naher Planeten relativ zu den Drehachsen der Wirtssterne als sehr wichtige Beobachtungsgrundlage für die Unterstützung oder Widerlegung von Migrationsmodellen, auf denen Theorien der Bahnentwicklung basieren. Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Astronomen der Universität Tokio und des NAOJ konzentrierte ihre Beobachtungen mit dem Subaru-Teleskop auf die Untersuchung dieser Neigungen für zwei bekannte Planetensysteme: HAT-P-11 und XO-4. Die Gruppe maß den Rossiter-McLaughlin-Effekt (im Folgenden RM) der Systeme und fand Beweise dafür, dass ihre Bahnachsen relativ zu den Drehachsen ihrer Wirtssterne geneigt sind.
Der RM-Effekt bezieht sich auf scheinbare Unregelmäßigkeiten in der Radialgeschwindigkeit oder -geschwindigkeit eines Himmelsobjekts in der Sichtlinie des Beobachters während Planetentransits. Anders als die Spektrallinien, die im Allgemeinen symmetrisch in Maßen der Radialgeschwindigkeit sind, weichen diejenigen mit dem RM-Effekt in ein asymmetrisches Muster ab (siehe Abbildung 1). Eine solche scheinbare Variation der Radialgeschwindigkeit während eines Transits zeigt den vom Himmel projizierten Winkel zwischen der Drehachse des Sterns und der Umlaufbahn des Planeten. Das Subaru-Teleskop war an früheren Entdeckungen des RM-Effekts beteiligt, die Wissenschaftler bisher für ungefähr fünfunddreißig exoplanetare Systeme untersucht haben.
Im Januar 2010 nutzte ein Forschungsteam unter der Leitung der Astronomen des aktuellen Teams der Universität Tokio und des National Astronomical Observatory of Japan das Subaru-Teleskop, um das Planetensystem XO-4 zu beobachten, das 960 Lichtjahre von der Erde entfernt in der Luchsregion liegt . Der Planet des Systems ist etwa 1,3 Mal so massiv wie Jupiter und hat eine Kreisbahn von 4,13 Tagen. Ihr Nachweis des RM-Effekts zeigte, dass die Orbitalachse des Planeten XO-4 b zur Spinachse des Wirtssterns geneigt ist. Bisher hat nur das Subaru-Teleskop den RM-Effekt für dieses System gemessen.
Im Mai und Juli 2010 führte das aktuelle Forschungsteam gezielte Beobachtungen des Exoplanetensystems HAT-P-11 durch, das 130 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Cygnus liegt. Der neptungroße Planet HAT-P-11 b umkreist seinen Wirtsstern in einer nicht kreisförmigen (exzentrischen) Umlaufbahn von 4,89 Tagen und gehört zu den kleinsten jemals entdeckten Exoplaneten. Bis zu dieser Forschung hatten Wissenschaftler den RM-Effekt nur für Riesenplaneten nachgewiesen. Der Nachweis des RM-Effekts für kleinere Planeten ist eine Herausforderung, da das Signal des RM-Effekts proportional zur Größe des Planeten ist; je kleiner der vorbeiziehende Planet ist, desto schwächer ist das Signal.
;Das Team nutzte die enorme Lichtsammelkraft des 8,2-m-Spiegels des Subaru-Teleskops sowie die Präzision seines High Dispersion Spectrographen. Ihre Beobachtungen führten nicht nur zum ersten Nachweis des RM-Effekts für einen kleineren Exoplaneten von Neptungröße, sondern lieferten auch den Beweis, dass die Umlaufachse des Planeten um etwa 103 Grad am Himmel zur Drehachse des Sterns geneigt ist. Eine Forschungsgruppe in den USA verwendete das Keck-Teleskop und machte im Mai und August 2010 unabhängige Beobachtungen des RM-Effekts desselben Systems; ihre Ergebnisse waren denen der Beobachtungen des Teams der Universität Tokio/NAOJ vom Mai und Juli 2010 ähnlich.
Die Beobachtungen des aktuellen Teams des RM-Effekts für die Planetensysteme HAT-P-11 und XO-4 haben gezeigt, dass ihre Planetenbahnen stark zu den Drehachsen ihrer Wirtssterne geneigt sind. Die neuesten Beobachtungsergebnisse zu diesen Systemen, einschließlich derer, die unabhängig von den hier berichteten Ergebnissen gewonnen wurden, legen nahe, dass solche stark geneigten Planetenbahnen im Universum allgemein existieren könnten. Das Planet-Planet-Szenario der Migration, ob durch die Planet-Planet-Streuung oder die Kozai-Migration verursacht, und nicht das Planet-Scheiben-Szenario könnte ihre Migration zu den gegenwärtigen Orten erklären.
Messungen des RM-Effekts für einzelne Systeme können jedoch nicht eindeutig zwischen den Migrationsszenarien unterscheiden. Statistische Analysen können Wissenschaftlern helfen festzustellen, welcher Migrationsprozess, wenn überhaupt, für die stark geneigten Umlaufbahnen von Riesenplaneten verantwortlich ist. Da verschiedene Migrationsmodelle unterschiedliche Verteilungen des Winkels zwischen der Sternachse und der Planetenbahn vorhersagen, ermöglicht die Entwicklung einer großen Stichprobe des RM-Effekts den Wissenschaftlern, den plausibelsten Migrationsprozess zu unterstützen. Die Einbeziehung der Messungen des RM-Effekts für einen so kleinen Planeten wie HAT-P-11 b in die Stichprobe wird eine wichtige Rolle bei der Diskussion von planetaren Migrationsszenarien spielen.
Viele Forschungsgruppen planen, den RM-Effekt mit Teleskopen auf der ganzen Welt zu beobachten. Das aktuelle Team und das Subaru-Teleskop werden bei den kommenden Untersuchungen eine wichtige Rolle spielen. Kontinuierliche Beobachtungen von durchlaufenden exoplanetaren Systemen werden in naher Zukunft zum Verständnis der Entstehungs- und Migrationsgeschichte von Planetensystemen beitragen.