Wir würden gerne einen anderen Planeten wie die Erde finden. Nicht genau wie die Erde; das ist irgendwie lächerlich und wahrscheinlich ein bisschen mehr Science-Fiction als Science. Aber was wäre, wenn wir eines finden könnten, das der Erde so ähnlich ist, dass wir uns wundern?
Wie konnten wir es finden? Wir gehen von einer Mission zur Planetensuche zur nächsten und stellen eine Liste von Planeten zusammen, die „erdähnlich“ oder „potenziell bewohnbar“ sind. Bald werden wir das James Webb Space Telescope und seine Fähigkeit haben, die Atmosphären von Exoplaneten auf Anzeichen von Leben und Bewohnbarkeit zu untersuchen.
Eine neue Studie konzentriert sich jedoch auf Exomonen und ihre Rolle für die Bewohnbarkeit eines Planeten. Wenn wir einen mondähnlichen Exomon in einer stabilen Umlaufbahn um seinen Planeten finden, könnte dies ein Beweis dafür sein, dass der Planet selbst erdähnlicher ist? Vielleicht, aber wir sind noch nicht da.
Wissenschaftler glauben, dass die stabile Beziehung zwischen Erde und Mond ein Teil dessen ist, was die Erde bewohnbar macht. Zum einen hält der Mond die axiale Neigung der Erde stabil, was ein stabiles Klima fördert. Forscher wissen auch, dass viele Faktoren die langfristige Planet-Mond-Stabilität stören können. In der Zeitung ' Exomoons in Systemen mit einem starken Störer: Anwendungen auf ? Cen AB “ untersuchen die Autoren die Bahnbeziehungen zwischen Monden, ihren Planeten und Sternen. Der Hauptautor ist Billy Quarles, ein Astrophysiker und planetarischer Dynamiker von Georgia Tech. Das Papier ist im Astrophysical Journal veröffentlicht.
In unserem eigenen Sonnensystem gibt es viel mehr Monde als Planeten. Es gibt durchschnittlich 20 Monde pro Planet, hauptsächlich dank Jupiter und Saturn und ihren zusammen über 160 Monden. Merkur und Venus haben keine, die Erde hat nur einen und der Mars hat nur zwei, die wahrscheinlich eingefangene Asteroiden sind.
Aber unser Sonnensystem ist nicht repräsentativ für andere Systeme. Unsere hat nur einen einzigen Stern. Wenn wir in den Nachthimmel blicken, sind mehr als 80 % der Lichtpunkte, die wir sehen, tatsächlich ein Paar Sterne – oder mehr –, die zusammen gruppiert sind. Doppelsternsysteme können Planeten beherbergen, und die Planeten können diese Systeme auf zwei Arten umkreisen. Zirkumstellar bedeutet, dass ein Planet nur einen der Sterne umkreist, und zirkumbinär bedeutet, dass ein Planet beide Sterne umkreist.
Frühere Forschungen, darunter einige des Hauptautors dieser Studie, Billy Quarles, haben gezeigt, dass riesige zirkumbinäre Planeten Exomonen beherbergen können. Aber dasselbe wurde für zirkumstellare Planeten in mehreren Sternensystemen nicht gefunden. Das ist ein Teil des Zwecks dieser Studie.
Die Forscher konzentrierten sich auf unseren nächsten stellaren Nachbarn, das Centauri-System. Centauri ist „nur“ 4,37 Lichtjahre entfernt, was astronomisch nahe kommt. Aber selbst in dieser Entfernung sind die Planeten schwer zu entdecken. Und Monde? Nahezu unmöglich.
„Wir wissen, dass sie da sind“, sagt Studien-Co-Autor Siegfried Eggl in a Pressemitteilung . „Wir müssen nur genauer hinschauen. Aber weil es so schwierig ist, sie zu sehen, haben wir eine Möglichkeit gefunden, sie anhand der Auswirkungen auf einen Planeten zu erkennen, indem wir Transitzeitvariationen verwenden.“
„Wir wissen, dass die Planeten, Sterne und Monde in unserem Sonnensystem wie bei einem riesigen Brettspiel gravitativ interagieren“, sagte Eggl. „Der Mond interagiert in Gezeiten mit der Erde und verlangsamt seine eigene Rotation, aber die Sonne ist auch da und zerrt an beiden. Ein zweiter Stern würde als weiterer externer Störer für das System fungieren.“
Die Forscher verwendeten die Transit-Timing Variation (TTV), um nach Monden im Alpha Centauri-System zu suchen. Alpha Centauri ist ein Dreifachsternsystem und mindestens zwei Planeten, die beide den Stern Proxima Centauri umkreisen. Proxima Centauri ist ein Roter Zwerg und die beiden Planeten sind Proxima Centauri b und Proxima Centauri c. PC b ist ein terrestrischer Planet mit etwa 1,17 Erdmassen, und PC c ist eine Supererde oder vielleicht ein Mini-Neptun.
Diese Infografik vergleicht die Umlaufbahn des Planeten um Proxima Centauri (Proxima b) mit derselben Region des Sonnensystems. Proxima Centauri ist kleiner und kühler als die Sonne und der Planet umkreist seinen Stern viel näher als Merkur. Infolgedessen liegt es gut innerhalb der bewohnbaren Zone, in der flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche vorhanden sein kann. Bildnachweis: Palereddot.org
Die TTV-Methode misst die winzigen Zugkräfte, die Körper aufeinander ausüben, während sie ihren Orbitalgeschäften nachgehen. Es wird am häufigsten verwendet, um Exoplaneten zu finden. Wenn ein Planet an seinem Stern vorbeizieht, wird das Sternenlicht aus unserer Perspektive etwas schwächer. Wenn ein anderes Objekt eine Kraft auf den Planeten ausübt, ist das Timing des dimmenden Sternenlichts variabel.
Wenn der Planet einen Mond hat, übt der Mond eine kleine Kraft auf den Planeten aus, wodurch der Planet ein wenig wackelt. Dieses Wackeln kann ausreichen, um das Timing des vom Planeten blockierten Sternenlichts zu ändern. Das Messen dieser kleinen Veränderungen ist das Herzstück von TTV.
In einem System wie Alpha Centauri mit mehreren Planeten und Sternen ist viel los und es gibt viele Schlepper, die es zu klären gilt. Die Planeten in AC befinden sich auf einer zirkumbinären Umlaufbahn, was bedeutet, dass die Umlaufbahnen elliptischer sind als beispielsweise die der Erde. Einige der Timing-Variationen werden also durch den Planeten und seine elliptische Umlaufbahn verursacht. Andere der Timing-Variationen können auf Exomoons zurückzuführen sein.
Wenn Beobachter herausfinden können, welche der zeitlichen Schwankungen auf Exomonen zurückzuführen sind, können sie einige der Eigenschaften sowohl des Planeten als auch seines Mondes ableiten. „Dies ist ein indirekter Beweis für einen Mond, weil es nichts anderes gibt, das auf diese Weise an dem Planeten ziehen könnte“, sagte Eggl.
Es ist schwierig, alle Variablen in einem Mehrsternsystem wie Alpha Centauri herauszukitzeln. Die elliptischen Bahnen erschweren dies, da sich der Planet und seine Monde mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen können. „Wenn Monde und Planeten leicht elliptische Bahnen haben, bewegen sie sich nicht immer mit der gleichen Geschwindigkeit. Je exzentrischer eine Umlaufbahn ist, desto mehr Frequenzen können angeregt werden, und wir sehen, dass diese Resonanzen immer wichtiger werden“, sagte Eggl.
Diese künstlerische Darstellung zeigt den Planeten Proxima b, der den Roten Zwergstern Proxima Centauri, den dem Sonnensystem am nächsten gelegenen Stern, umkreist. Der Doppelstern Alpha Centauri AB erscheint auch im Bild zwischen dem Planeten und Proxima selbst. Proxima b ist etwas massiver als die Erde und kreist in der bewohnbaren Zone um Proxima Centauri, wo die Temperatur für flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche geeignet ist. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
Irgendwann können sich die Resonanzen überlappen und das ganze System irgendwie chaotisch machen. Aber auch im Chaos sollte es einige Phasen der Stabilität geben. „Irgendwann wird es überlappende Resonanzen geben, die zu Chaos im System führen können. In unserer Studie haben wir jedoch gezeigt, dass es genügend stabile ‚Immobilien‘ gibt, um eine gründliche Suche nach Monden um Planeten in Doppelsternsystemen zu rechtfertigen“, sagt Co-Autor Eggl.
Diese Studie zielt auf den stabilen Platz in der Umlaufbahn eines Planeten in einem Drei-Körper-System ab, in dem es zwei Sterne und einen Planeten gibt. Wo der Planet stabil ist, gibt es wie eine weitere verschachtelte Drei-Körper-Hierarchie zwischen dem Doppelstern, dem Planeten und seinem Mond. Mehr noch: „Außerdem umkreist ein Sekundärstern den Massenschwerpunkt eines Dreikörpersystems in einer solchen Entfernung, dass die Planetenbahn stabil bleibt, um eine hierarchische Vierkörperkonfiguration zu erzeugen“, schreiben die Autoren. Die Autoren sagen, dass man das gesamte Arrangement als zwei Drei-Körper-Probleme betrachten kann, die zusammen Paare bilden.
Der Hauptautor Quarles nutzte die Gezeiten des Ozeans hier auf der Erde, um ihre Bemühungen zu erklären. „Der Hauptunterschied zu Doppelsternsystemen besteht darin, dass sich der Begleitstern wie die Flut am Strand verhält, wo er regelmäßig hereinkommt und den Strand wegätzt. Bei einer exzentrischeren binären Umlaufbahn wird ein größerer Teil der stabilen „Immobilien“ entfernt. Dies kann bei unserer Suche nach Monden in anderen Sternensystemen sehr hilfreich sein.“
Eine der zentralen Fragen hinter dieser Arbeit ist nicht nur die Identifizierung von Exomonen, sondern auch die Bestimmung ihrer Langlebigkeit. Die Langlebigkeit eines Mondes kann die langfristige Bewohnbarkeit eines Planeten unterstützen. Das ist hier auf der Erde passiert. Aber es gibt viele Gründe, warum ein Mond aus dem Orbitalgriff seines Planeten ausgestoßen oder entkommen kann. Exzentrische Umlaufbahnen in einem Doppelsternsystem sind einer der Hauptgründe. Einer der Sterne in einem Doppelsternsystem wirkt als Störer und vertreibt den Mond von seinem Planeten.
Der Mond spielt eine große Rolle für die Bewohnbarkeit der Erde. Ähnliches gilt wahrscheinlich auch für andere Sonnensysteme. Bildquelle: NASA SVS/Ernie Wright
Wissenschaftliche Modelle zeigen, dass die Ableitung der Gezeitenkräfte zwischen einem Planeten und seinem Mond einen Satelliten von seinem Wirtsplaneten befreien kann. Als das Team diese Modelle auf das Alpha Centauri-System anwandte, stellte es fest, dass der Stern Alpha Centauri A als Störfaktor wirkt und zu mehr Exzentrizität in der Umlaufbahn des erdähnlichen Planeten Alpha Centauri B führt Planet wird auf 10 Gyr-Zeitskalen instabil. Aber nicht immer. Sie fanden auch heraus, dass Exomonen einigen der exzentrischen Kräfte standhalten und stabil bleiben können.
Was bedeutet das alles? Wozu führt es?
Durch die Untersuchung des TTV des erdanalogen Planeten in Alpha Centauri entwickelte das Team Einschränkungen dafür, wie eine Erde-Mond-Konfiguration in anderen binären Sonnensystemen aussehen könnte. Die TTV für eine Erde-Mond-Kombination in anderen Systemen könnte sehr klein sein. Es könnte so klein sein wie einige der TTVs, die von der Kepler-Mission in fernen Sonnensystemen entdeckt wurden. Einige dieser Entdeckungen sind wahrscheinlich astronomisches Rauschen, andere sind wahrscheinlich Hinweise auf Exomonen.
Das Auffinden von Exomonen und das Verständnis ihrer Langlebigkeit könnte sich als kritische Methode zur Bewertung von Planeten auf ihre potenzielle Bewohnbarkeit erweisen, ganz oben mit der Position eines Planeten in der bewohnbaren Zone eines Sterns.
„Wenn wir diese Methode verwenden können, um zu zeigen, dass es da draußen noch andere Monde gibt, dann gibt es wahrscheinlich andere Systeme, die unserem ähnlich sind“, sagte Quarles. „Der Mond ist wahrscheinlich auch entscheidend für die Entwicklung des Lebens auf unserem Planeten, denn ohne den Mond wäre die Achsenneigung der Erde nicht so stabil, was der Klimastabilität abträglich wäre. Andere von Experten begutachtete Studien haben die Beziehung zwischen Monden und der Möglichkeit komplexen Lebens gezeigt.“
Mehr:
- Pressemitteilung: Erdähnliche Planeten in anderen Sonnensystemen? Suche nach Monden.
- Veröffentlichte Forschung: Exomoons in Systemen mit einem starken Störer: Anwendungen auf ? Cen AB
- Universum heute: Erster Exomoon gefunden! Ein neptungroßer Mond umkreist einen jupitergroßen Planeten