Exoplanetensysteme: Architektur, Entwicklung, Habitabilität

Die Suche nach anderen, bewohnbaren Welten im Universum ist sicherlich nicht nur von großem wissenschaftlichen, sondern auch von öffentlichem Interesse. Weltraum-missionen wie CoRoT, Kepler, Herschel, Gaia sollen uns bei der Suche nach anderen Erden helfen. Erste Beobachtungen von kleineren Planeten (mit einigen Erdmassen) machen uns Hoffnung bald eine "Exo-Erde" entdecken zu können, die sich möglicherweise in einer lebensverträglichen Region - der sog. bewohnbaren oder habitablen Zone - eines Planetensystems befindet. Man geht davon aus, dass die Oberflächen- temperatur eines erdähnlichen Planeten in der habitablen Zone (HZ) mit jener der Erde vergleichbar ist, wodurch der Planet bewohnbar sein könnte. Natürlich reicht es nicht, einen erdähnlichen Planeten in geeigneter Distanz zum Stern zu entdecken, wissen wir doch, dass ein Nachweis für Habitabilität nur durch interdisziplinäre Forschung erbracht werden kann. Von Seiten der Astrophysik sind Studien bezüglich der Entwicklung des Sterns und der Planeten nötig. Auch die Erforschung der Planetenatmosphäre sowie die Stabilität der Planeten-bahnen sind für den Nachweis der Habitabilität von größter Wichtigkeit. Dieses Projekt beschäftigt sich eingehend mit der Langzeitstabilität von (fiktiven) erdähnlichen Planeten in der HZ von sonnenähnlichen Sternen in der Milchstraße. Dabei werden Architektur, Entwicklung und Habitabilität in (i) Multiplaneten (MP) Systemen und in (ii) Doppelsternsystemen (DS) eingehend untersucht, um Information über " Mögliche Abstände von erdähnlichen Planeten in den HZs von MP Systemen (ähnlich unserem Sonnensystem) zu erhalten; " Die Stabilität von erdähnlichen Planeten in der HZ zu überprüfen, wenn die Gasplaneten exzentrische Bahnen haben (da viele Gasplaneten hohe Exzentrizitäten aufweisen); " Die Möglichkeit weitere, noch nicht entdeckte, Gasplaneten in großen Entfernungen durch dynamische Studien vorherzusagen; " Die Stabilität von gegeneinander geneigten Planetenbahnen in MP Systemen; " Planetenentstehung (N-Körper Simulationen) in DS Systemen, deren Bahnebenen gegeneinander geneigt sind. Durch die praktische Verwendbarkeit der Ergebnisse für zukünftige Beobachtungsprojekte, liefert dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zum Forschungbereich der Extra-solaren Planetensysteme.

Das FWF Projekt Exoplanetensysteme: Architektur, Entwicklung und Habitabilität ist einem hochaktuellen Forschungszweig der Astronomie gewidmet. Numerische Simulationen wurden verwendet, um zu zeigen, inwiefern Planetensysteme aufgrund spezieller Anordnungen der Planeten und ihrer Bahnentwicklung geeignet sind, dass Leben auf einem erdähnlichen Planeten in der sogenannten habitablen Zone entstehen kann. Bei dieser Studie wurden nicht nur Einzelsterne wie die Sonne analysiert sondern auch Doppelsterne. Letztere sind deswegen von großem Interesse, da aus Beobachtungen hervor geht, dass mehr als 60 % aller Sterne in Sonnenumgebung in derartigen Sternsystemen gefunden wurden. Daher ist die Frage, ob Leben auch in solchen Sternsystemen auftreten kann, oder ob z.B. gravitative Störung dies verhindert von Interesse. Natürlich ist in diesen Systemen mit stärken Störungen zu rechnen, denn je mehr massive Körper (also Sterne oder Planeten) in einem System vorhanden sind umso größer sind die Störungen. Jedoch haben dynamische Studien auch gezeigt, dass resonante Bahnbewegung unter gewissen Bedingungen auch mehr Stabilität bieten kann. Das heißt, dass die Entdeckung eines zusätzlichen Planeten in einem System nicht sofort mehr Chaos (also mehr Störung) bedeutet, weil im Falle von Resonanzen auch Stabilität ermöglicht wird. Bei den Studien dieses Projekts unterscheiden wir zwischen Resonanzen, die durch die Bewegung (genauer gesagt die Umlaufszeiten) der Planeten entstehen, diese werden Resonanzen der mittleren Bewegung genannt, und jenen, die aufgrund der Bewegung der Periastrons (sternnächste Position) auftreten und als säkulare Resonanzen bezeichnet werden. Durch periodisch wiederkehrende Störungen kann es im Falle von Resonanzen zu Veränderungen der Bahnform kommen. Die Positionen der Resonanzen der mittleren Bewegung kann man mit einfachen Formeln berechnen, falls die Positionen der Planeten bekannt sind. In diesem Projekt wurde nun eine neue Methode entwickelt, mit der auch die Position von säkularen Resonanzen bestimmt werde kann, ohne allzu großen numerischen Rechenaufwand. Besonders in Doppelsternsystemen spielen diese eine wichtige Rolle, da sie zu exzentrischen Planetenbahnen führen können. Fällt die Störung in den Bereich der habitablen Zone, dann würde der Planet in dieser Region nicht wie die Erde immer in dem für unser Leben bestens geeigneten Bereich um einen Stern sein, sondern könnte dem Mutterstern auch sehr nahe kommen kann. Dass dies auch unserer Erde hätte passieren können, haben wir in einer der Studien dieses Projekts gezeigt. Wäre der Saturn um 0,8 AU (wobei 1 AU ~ 150 mio km) dem Jupiter näher als er es heute ist, dann würde das innere Sonnensystem wahrscheinlich anders aussehen, denn bei einer Erdbahn, die sich von 0,3 AU (also innerhalb der Merkurbahn) bis 1,7 AU (außerhalb der Marsbahn) erstreckt bleibt für die anderen terrestrischen Planeten kein Platz mehr.