Nur geringe Kollisionsgefahr im Planetensystem TRAPPIST-1

Der Stern TRAPPIST-1 ist etwa vierzig Lichtjahre von unserem Sonnen­system entfernt und er ist kleiner und kühler als unsere Sonne. Er wird umkreist von sieben etwa erdgroßen Planeten – die größte Ansammlung solcher Planeten, die bislang außerhalb unseres Sonnen­systems gefunden wurde. Sie sind alphabetisch von b bis h benannt, in der Reihenfolge ihrer Entfernung vom Stern. Die Zeit, die die Planeten für einen Umlauf um den Stern benötigen – was einem Jahr auf der Erde entspricht –, beträgt 1,5 Tage für den Planeten b und 19 Tage für den Planeten h. Bemerkens­werter­weise stehen die Umlauf­zeiten der Planeten in einem nahezu perfekten Verhältnis zueinander, in einer resonanten Anordnung, die an harmonische Musik­noten erinnert. So vergehen beispiels­weise für acht Umläufe auf dem Planeten b deren fünf auf Planet c, drei auf Planet d, zwei auf Planet e und so weiter.

Simon Grimm von der Uni Bern und seine Kollegen haben die Parameter der Umlauf­bahnen der TRAPPIST-1-Planeten und ihr Langzeit­verhalten berechnet. „In der aktuellen Studie haben wir untersucht, welche Einschläge die TRAPPIST-1-Planeten über­standen haben könnten, ohne dass sie aus dem harmonischen Gleich­gewicht gebracht worden sind“, so Grimm.

Planeten entstehen in proto­planetaren Scheiben aus Gas und Staub rund um neu entstandene Sterne. Diese Scheiben halten nur einige Millionen Jahre. Computer­modelle haben gezeigt, dass resonante Planeten­ketten wie die von TRAPPIST-1 entstehen, wenn junge Planeten nach ihrer Entstehung näher an ihren Stern heran­rücken und sich so resonant anordnen. Die Forscher gehen davon aus, dass sich resonante Ketten wie die von TRAPPIST-1 bilden müssen, bevor die proto­planetaren Scheibe verschwindet.

„Die Planeten von TRAPPIST-1 haben sich demnach schnell gebildet, in etwa einem Zehntel der Zeit, die die Erde für ihre Entstehung brauchte“, sagt Team-Mitglied Andre Izidoro von der Rice University in den USA. Nachdem sich Gesteins­planeten gebildet haben, werden sie in der Regel von anderen Himmels­körpern getroffen. „Das nennt man späte Akkretion. Wir interes­sieren uns dafür, weil diese Einschläge eine wichtige Quelle für Wasser und flüchtige Elemente sein können, die Leben auf diesen Planeten begünstigen könnten», erklärt Team-Mitglied Sean Raymond von der Université de Bordeaux.

Die Entschlüsselung der Einschlags­geschichte ist bereits bei Planeten ist in unserem Sonnen­system schwierig. „Bei Planeten­systemen, die Lichtjahre entfernt sind, ist es sogar eine scheinbar hoffnungs­lose Aufgabe, da wegen der großen Entfernung nicht einfach Krater oder sogar Gesteins­proben untersucht werden können“, erklärt Grimm. Die Forscher haben sich deswegen mit der besonderen Bahn­konfi­gu­ration der TRAPPIST-1 Planeten befasst.

„Wir können zwar nicht genau sagen, wie viel Material auf einem der TRAPPIST-1-Planeten eingeschlagen ist, aber aufgrund ihrer speziellen Resonanz­anordnung können wir eine Obergrenze festlegen“, so Raymond. „Wir haben mit Hilfe von Computer­simula­tionen heraus­gefunden, dass diese Planeten nach ihrer Entstehung nur mit einer sehr geringen Menge an Material bombardiert wurden.“ 

Wenn sich ein Planet früh bildet und zu klein ist, kann er nicht viel Gas aus der Scheibe akkretieren. Ein solcher Planet hat auch viel weniger Möglich­keiten, flüchtige Elemente durch späte Bombar­die­rungen zu gewinnen, die für die Entstehung von Leben entscheidend wären. Sollte einer der TRAPPIST-1-Planeten beispiels­weise viel Wasser enthalten, müsste das Wasser schon früh in den Planeten eingebaut worden sein. Ein möglicher Unterschied zur Entstehung der Erde könnte also darin bestehen, dass die TRAPPIST-1-Planeten von Anfang an eine Wasserstoff­atmosphäre hatten. Wie die Forscher vermuten, könnte dies und auch die geringe Anzahl Einschläge die Entwicklung im Inneren des Planeten, die Ausgasung, den Verlust von flüchtigen Bestand­teilen und andere Dinge, die sich auf die Bewohn­ba­rkeit auswirken, stark beein­flusst haben.

Die aktuelle Studie hat nicht nur Auswirkungen auf die Unter­suchung anderer resonanter Planeten­systeme hat, sondern auch auf weitaus häufigere Exoplaneten­systeme, von denen man annimmt, dass sie als resonante Systeme begonnen haben. „Supererden und Subneptune sind in der Umgebung anderer Sterne sehr häufig. Die vorherr­schende Vorstellung ist, dass sie während der Gasscheiben­phase nach innen gewandert sind und dann möglicher­weise eine späte Phase mit Kollisionen hatten“, sagte Raymond. „Aber während dieser frühen Phase, in der sie nach innen wanderten, hatten sie unserer Meinung nach eine Phase, in der sie resonante Ketten­strukturen wie TRAPPIST-1 bildeten.“

Das James Webb Space Telescope der NASA und das Extremely Large Telescope der ESO werden es in Zukunft ermöglichen, dass die Atmo­sphären von Exoplaneten direkt beobachtet werden können. „Diese Beobachtungen werden uns weitere Hinweise beispiels­weise zur möglichen Bewohn­bar­keit von Planeten liefern“, so Grimm.

U. Bern / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. N. Raymond et al.: An upper limit on late accretion and water delivery in the TRAPPIST-1 exoplanet system, Nature Astron., online 25. November 2021; DOI: 10.1038/s41550-021-01518-6
• Abt. Weltraumforschung und Planetologie, Physikalisches Institut, Universität Bern, Schweiz
• Dept. of Earth, Environmental and Planetary Sciences, Rice University, Houston, USA
• Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Université de Bordeaux, Frankreich