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29.11.11 · 10:14 Uhr
Haben extrasolare Planeten Monde oder Ringe?
Kategorie: Naturwissenschaften · Kommentare: 14
Haben extrasolare Planeten Monde oder Ringe? Keine Ahnung. Wenn wir unser Sonnensystem als Maßstab nehmen, dann kann es eigentlich kaum anders sein. Zumindest wenn es um die Gasriesen geht. Jeder Gasplanet, der unsere Sonne umkreist (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) hat dutzende Monde und ein Ringsystem. Nicht immer sind die Monde so groß wie z.B. Ganymed oder Callisto des Jupiter. Und nicht immer sind die Ringe so dramatisch wie die des Saturn. Aber Monde und Ringe sind immer vorhanden. Wenn wir davon ausgehen, dass unser Sonnensystem nichts Besonderes ist, dann müssen auch die extrasolaren Planeten Ringe und Monde haben. Aber wir wissen es nicht, denn wir haben weder das eine noch das andere entdeckt. Könnten wir Monde oder Ringe überhaupt entdecken? Ja, können wir!
Wenn ihr mein Blog regelmäßig lest, dann habt ihr sowas sicher schon mal gesehen:
Das ist die Lichtkurve eines Transits. Astronomen messen - extrem genau! - das Licht, dass ein Stern zu uns schickt. Sollte der Stern von einem Planet umkreist werden und wir genau unter dem richtigen Winkel auf den Stern blicken, dann kann es vorkommen, dass er vor dem Stern vorüber zieht. Der Planet wird dann einen winzigen Bruchteil des Sternenlichts blockieren und der Stern wird dunkler. Das können wir messen und so auf die Existenz des Planeten schließen. Mit dieser Methode hat man bis heute immerhin schon 186 Planeten gefunden! Die oben gezeigte Lichtkurve ist ein Modell und zeigt, wie es idealerweise (also ohne irgendwelche Störungen) aussehen würde, wenn der Planet HD 209458b vor seinem Stern vorüberziehen würde. Was aber, wenn man sowas beobachten würde:
Hier wird das Licht des Sterns zuerst nur ganz wenig dunkler (erster Pfeil). Dann kommt der typische Helligkeitsabfall, der auf einen Planeten hindeutet. Allerdings scheint irgendwie die Symmetrie zu fehlen, der Anstieg der Helligkeit geschieht ein klein wenig schneller, als man erwarten würde (zweiter Pfeil). Was soll das sein? So würde es aussehen, wenn man den Transit eines jupitergroßen Planeten beobachtet, der von einem Mond umkreist wird, der etwa zweimal so schwer ist wie unsere Erde! In diesem Fall stehen Planet und Mond von uns aus gesehen nebeneinander. Der Mond bedeckt den Stern zuerst, daher der anfängliche kleine Helligkeitseinbruch. Danach blockiert auch der Planet das Licht des Sterns. Schließlich ist der Mond als erster am Stern vorüber gezogen und die Helligkeit steigt wieder ein bisschen (zweiter Pfeil). Dann folgt auch der Planet und der Transit ist vorüber.
Monde erzeugen also in der Lichtkurve des Transits eine klare Signatur. Auf diese Weise können wir sie entdecken! Aber natürlich ist die Natur nie so perfekt wie dieses Modell. Der Mond muss nicht immer exakt neben dem Planeten stehen. Der Stern kann Flecken haben (das extrasolare Pendant zu Sonnenflecken) und sorgen ebenfalls dafür, dass uns weniger Licht erreicht. Man kann also durchaus auch mit solchen Lichtkurven rechnen:
Glücklicherweise kann man aber zwischen Flecken und Monden/Planeten unterscheiden. Ein Fleck rotiert mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Stern selbst, ein Planet mit seinem Mond ist langsamer. Man muss den Stern also nur länger beobachtet und mehrere Transits aufnehmen und kann dann die Effekte der Flecken eliminieren. Trotzdem wird man in der Realität nie so schöne Bilder bekommen wie die bisher gezeigten. Es sind nur Modelle. Sie stammen von Luis Ricardo Tusnski und Adriana Valio. Die beiden brasilianischen Forscher haben ein Computerprogramm entwickelt, mit dem man solche künstlichen Lichtkurven für beliebige Planet/Mond-Konfigurationen erzeugen kann. Es kann aber noch mehr! Tusnski und Valio können damit auch realistische Lichtkurven produzieren, so wie sie zum Beispiel die Weltraumteleskope CoRoT und Kepler aufnehmen würden (die beide derzeit im All unterwegs und auf der Suche nach extrasolaren Planeten sind). Mit der Meßgenauigkeit von CoRoT könnte man zum Beispiel so eine Lichtkurve bekommen:
Die Daten sind zwar nur ordentlich verrauscht, bei der Datenauswertung würde man aber trotzdem die schwarze Linie als Lichtkurve errechnen und die zeigt wieder deutlich den Einfluss des Mondes (der in diesem Fall die dreifache Masse der Erde hat). Bei Kepler sieht es noch besser aus, dieses Weltraumteleskop hat eine höhere Genauigkeit als CoRoT und kann die Monde noch einfacher erkennen.
Ringe um Planeten zu finden ist ein wenig schwieriger. Sie verursachen keine so dramatische Veränderung der Form der Lichtkurve. Der Ring macht den Planeten nur ein wenig "größer", der Stern wird also ein klein wenig dunkler, als er es bei einem Planeten ohne Ring werden würde. Auch die Abknickpunkte der Kurve, zu Beginn und am Ende des Transits, sind bei beringten Planeten etwas runder als ohne. CoRoT und Kepler würden einen Planeten wie Saturn so sehen:
CoRoT (links) ist zu ungenau. Die Effekte des Rings würden im Rauschen untergehen. Die schwarze Linie im Bild zeigt die Lichtkurve, die Astronomen hier zuerst vermuten würden: Die eines Planeten ohne Ring. Im schmalen Diagramm darunter sind die Abweichungen zwischen Lichtkurve und Messpunkten zu sehen. Wenn die Abweichungen irgendwie systematisch sind, ist das ein Hinweis darauf, dass man etwas übersehen hat. CoRoT allerdings zeigt keine solche Hinweise und die Astronomen hätten keinen Anlass, ihre Lichtkurve zu verändern. Bei Kepler (rechts) sieht das anders aus. Besonders an der linken Kante der Kurve (dem Beginn des Transits) erkennt man den Effekt der Ringe und den Unterschied zwischen Messdaten und vermuteter Lichtkurve. Im Diagramm der Abweichungen darunter sind auch klar die systematischen Fehler zu sehen, die man bei einer Lichtkurve eines Planeten ohne Rings erhält. Die Astronomen würden sich also die Daten noch einmal genau ansehen und zu dem Schluss kommen, das hier noch etwas sein muss. Kepler würde die Ringe des Saturn entdecken (Allerdings nicht wenn er so weit von der Sonne entfernt ist, wie in der Realität. In den Beispielen oben wurde Saturn sehr nahe an den Stern gerückt, näher als Merkur der Sonne ist).
Tusnski und Valio kommen in ihrer Arbeit zu dem Schluss, dass wir heute schon in der Lage wären, extrasolare Monde und Ringe zu entdecken. Monde mit einem Radius von mehr als dem 1,3fachen der Erde die einen Planeten wie Jupiter umkreisen, liegen im Bereich dessen, was CoRoT finden könnte. Bei Kepler sinkt das Limit auf das 0,3fache des Erdradius. Das ist etwas größer als unser Mond aber deutlich kleiner als viele andere Monde im Sonnensystem. Wenn es extrasolare Monde bzw. Ringe gibt, dann ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis wir sie finden. Und ich denke, wir müssen nicht mehr lange darauf warten...
Luis Ricardo M. Tusnski, & Adriana Valio (2011). Transit Model of Planets with Moon and Ring System The Astrophysical Journal, 743:97, 2011 December 10 arXiv: 1111.5599v1
Autor: Florian Freistetter· 14 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
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Kommentare (14)
So ein schöner Artikel und kein KOmmentar drunter?
"Erster" und Danke!
Schöner Artikel! Kleine Korrektur: Ganymed hat sicher weniger Masse als das 0.3-fache der Erde. Mars hat etwa 0.1, der Mond hat 0.01. Ich würde schätzen, dass Ganymed innerhalb einer Grössenordnung der Mondmasse liegt.
Ich hab mal kurz nachgeschaut: Im Paper ist von RADIEN die Rede, nicht Massen. Dh, CoRoT sieht noch einen Mond mit 1.3 Erd-Radien, Kepler einen mit 0.3-Erd-Radien. Und da ist Ganymed ganz klar drin!
@bynaus: Danke, hatte ich falsch in Erinnerung.
verringert sich die wahrscheinlichkeit von monden und ringen, wenn der planet sehr nahe an seinem stern ist? solche findet man ja am ehesten
@Florian
Dass Kepler unseren Saturn in 10 AE Sternentfernung nicht finden würde, dürfte lediglich daran liegen, dass die Missionsdauer nicht ausreicht, um die nötigen 3-6 Umläufe zu beobachten - Saturn braucht fast 30 Jahre für einen Umlauf.
Die Ringe der anderen Gasplaneten wären vermutlich auch nicht zu entdecken, weil sie sehr dünn sind; die von Uranus und Neptun wurden bei Sternbedeckungen entdeckt, der von Jupiter erst beim Vorbeiflug der Voyager-1-Sonde.
Die Ringe des Saturn bestehen nun aber aus fast purem Eis, so dass es eine These gibt, sie bestünden nur aus der obersten Schicht eines früheren Mondes, die vor dem Auseinanderbrechen (und nachfolgendem Abstürzen) des Mondes durch die differentielle Schwerkraft des Saturn abgetragen wurde.
Würde man Saturn so nahe an die Sonne heranbringen, wie die Erde (so dass Kepler mehrere Umläufe beobachten könnte), dann würde das Eis wohl längst verdampft sein und Saturn keine Ringe mehr haben. Würde er einen M-Zwergstern in diesem Abstand umkreisen, der nicht viel mehr als 1/100 der Sonnenleuchtkraft hätte (Spektralklasse M-V geht bis hinauf zu 1/12 Sonnenleuchtkräften), dann wäre dessen Strahlung in 1 AE etwa so hoch wie die unserer Sonne in Saturns Sonnenentfernung - die Umlaufzeit allerdings mehr als 2 Jahre, weil der M-Stern weniger als eine halbe Sonnenmasse hätte, da würde es für Kepler wieder eng mit der nötigen Beobachtungszeit. Also: ein Saturn wird nicht leicht zu finden sein, selbst wenn es davon weiter draußen viele gibt.
Ein Ring aus Gestein könnte natürlich auch näher an einem Stern überdauern, aber ob ein zerriebener Mond einen auffälligen Staubring bilden würde? Wenn die oben zitierte These stimmt, hat ein solcher bei Saturn jedenfalls nicht lange gehalten, falls er überhaupt entstanden war.
@b-age: Ja, je näher ein Planet an seinem Stern dran ist, desto kleiner wird sein Hill-Radius, die Entfernung, die er mit seiner Gravitation dominiert. Innerhalb des Hill-Radius (typischerweise bis hinaus zu einem Drittel oder gar der Hälfte des Hil-Radius) sind Monde stabil. Bei extrem nahen Hot Jupiters ist es sogar so, dass der Hill-Radius kaum grösser ist als der Radius des Planeten selbst, das heisst, diese können gar keine (stabilen) Monde haben.
@Alderamin: "Dass Kepler unseren Saturn in 10 AE Sternentfernung nicht finden würde, dürfte lediglich daran liegen, dass die Missionsdauer nicht ausreicht, um die nötigen 3-6 Umläufe zu beobachten"
Habe ich etwas anderes behauptet?
@Florian
Nein, Du hattest den Punkt erwähnt, aber nicht erläutert, und dann habe ich mir überlegt, warum Kepler das nicht können soll. Die Silhouette des Planeten wäre ja im größeren Abstand die gleiche.
Mein Punkt war derjenige, dass die Ringe unseres Saturn in einer Entfernung vom Mutterstern, in der Kepler sie nachweisen könnte, gar nicht existieren könnten und deswegen wird Kepler voraussichtlich keinen solchen Planeten finden - höchstens um schwache Rote Zwerge oder wenn die Ringe aus Staub und Gestein bestünden, falls es solche gibt.
Aber ein paar Monde sollte Kepler wohl finden. Wann gibt's die nächste Kepler-Pressekonferenz, im Frühjahr?
@Florian
Also, ehrlich gesagt, hätte ich aus diesem Satz nicht schließen können, dass der Grund für die Fähigkeit des Keplerteleskops das Ringsystem zu entdecken nicht unmittelbar mit dem Abstand Planet - Stern zusammenhängt sondern ganz profan indirekt, über das Verhältnis Umlaufzeit des Planeten / Missionsdauer Keplerteleskop. Von daher find ich Alderamins ergänzung durchaus hilfreich.Ansonsten ist dein Artikel natürlich mal wieder sehr informativ. Ich hatte z.B. nicht gewußt, dass die Intensitätskurve erst aus einer Punktwolke errechnet wird. Aber OK, bei den Distanzen ist eine rel. starke Streuung der Meßwerte wohl unvermeidlich. Kepler scheint ja diesbezüglich dem CoRoT um einiges voraus zu sein.
Und wenn ich noch eine eigene kleine Ergänzung bringen dürfte: Die Suche nach extrasolaren Monden ist ja auch von daher relevant, dass in anderen Planetensystemen große Gasplaneten sich offenbar deutlich dichter am Zentralgestirn befinden als dies im Sonnensystem der Fall ist und wenn sich solch ein Gasriese innerhalb der habitablen Zone befindet, wäre ein großer Mond um diesen Planeten natürlich ein potenzieller Kandidat für Leben.
@FF Sehr interessanter Artikel. Danke.
[...]Ein Fleck rotiert mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Stern selbst, ein Planet mit seinem Mond ist langsamer. [...]
Woher weiß man eigentlich wie schnell der Stern rotiert?
@Wilki
Die Rotation eines Sterns kann man an der Dopplerverbreiterung der Spektrallinien erkennen. Die Elemente in der Sternenatmosphäre verursachen ja, wenn sie von dem darunterliegenden heißen Plasma durchleuchtet werden, dunkle Linien im Spektrum, die Fraunhoferlinien. Wenn sich nun eine Seite des Sterns auf uns zubewegt, werden Linien von dieser Seite zum Blauen hin verschoben. Das Licht von der gegenüberliegenden Seite, die sich von uns wegbewegt, wird hingegen rotverschoben. Dazwischen gibt es alle Zwischenwerte. Insgesamt ergibt sich also eine Verbreiterung der Spektrallinien. Daraus kann man die Rotationsgeschwindigkeit ermitteln.
Pauschal kann man m.W.n. nicht sagen, dass ein Stern langsamer rotiert als ein Planet ihn umkreist. Unsere Sonne rotiert ca. einmal in 30 Tagen, Merkur braucht 88 Tage für einen Umlauf, da passt es. Viele extrasolare Planeten kreisen jedoch in viel kürzerer Zeit um ihren Stern (hier gibt's eine Liste der extrasolaren Planeten, Umlaufzeiten von wenigen Tagen gibt es recht oft). Es gibt natürlich auch Sterne, die sich schneller als die Sonne drehen, z.B. Pleione im Siebengestirn rotiert einmal in 12 Stunden und ist daher abgeplattet. Sie rotiert so schnell, dass sie Masse dabei verliert. Das ist allerdings ein Extrembeispiel.
@myself
Sollte eigentlich heißen:
"Pauschal kann man m.W.n. nicht sagen, dass ein Stern schneller rotiert als ein Planet ihn umkreist."
Super interessant! Bitte, bitte mehr solche Artikel! :D
@Florian
Die Antwort lautet =>JA. Und die sind nicht von schlechten Eltern...!