Weltraumteleskop CHEOPS entschlüsselt Geheimnisse eines seltenen, fernen Planetensystems

Mit der Bestätigung des dritten Planeten war der Schlüssel für das gesamte System gefunden. Denn nun war klar, dass sich die drei Planeten in einer orbitalen Resonanz befinden: Während der innerste Planet den Stern neunmal umkreist, führt der zweite sechs und der dritte vier Umrundungen durch.

Die Überprüfung der Tatsache, dass die drei anderen Planeten ebenfalls Teil der Resonanzkette sein könnten, führte zu Dutzenden von Möglichkeiten für ihre Umlaufzeit. Aber durch die Kombination der vorhandenen Beobachtungsdaten von TESS und CHEOPS mit Modellrechnungen konnten alle Lösungen bis auf eine Resonanzkette in Paaren von 3:2, 3:2, 3:2, 4:3, 4:3 ausgeschlossen werden. Die Wissenschaftler:innen konnten daher vorhersagen, dass die drei äußeren Planeten Umlaufzeiten von 31, 41 und 55 Tagen haben.

Diese Vorhersage ermöglichte es, CHEOPS den Transit des Planeten "e" zum richtigen Zeitpunkt zu beobachten, um seine Periode zu bestätigen. Verschiedene Teleskope suchten auch nach einem weiteren Transit des Planeten "f", und es zeigte sich, dass er sich genau dort befand, wo die Resonanzkette ihn vorhergesagt hatte. "Die Struktur des gesamten Planetensystems war nun klar, die Gesamtanalyse aller gewonnenen TESS- und CHEOPS-Daten jedoch äußerst komplex. Es war Andrea Bonfanti, ein Mitglied meiner Forschungsgruppe, dem sie schließlich als Erstem gelang," zeigt sich Luca Fossati, IWF-Gruppenleiter und Mitautor der Studie, stolz.

Eine erneute Analyse der Daten von TESS ergab schließlich zwei versteckte Transits der Planeten "f und "g", genau zu den Zeiten, die von den Vorhersagen erwartet wurden. Damit waren die Umlaufzeiten aller sechs Planeten bestätigt. Sie umkreisen ihren Mutterstern in perfekter Harmonie.

In der Himmelsmechanik spricht man von einer (Bahn-)Resonanz, wenn zwei oder mehrere Himmelskörper periodisch wiederkehrenden gravitativen Einflüssen unterliegen. Sie wird von den Umlaufzeiten der beteiligten Himmelskörper verursacht, deren Verhältnis zueinander durch niedrige natürliche Zahlen beschrieben werden kann, beispielsweise durch 3:2.

Die Entdeckung resonanter Systeme auf der Umlaufbahn ist äußerst wichtig, da sie Aufschluss über die Entstehung und anschließende Entwicklung des Planetensystems geben. Systeme neigen dazu, sich in Resonanz zu bilden, können aber leicht gestört werden. So können beispielsweise ein sehr massereicher Planet im System, eine nahe Begegnung mit einem vorbeiziehenden Stern oder ein gigantischer Einschlag das Gleichgewicht beeinflussen.

Eine Besonderheit des Planetensystems um HD 110067 ist seine Resonanzkette. Unter den über 5000 Exoplaneten, die um andere Sterne als unsere Sonne kreisen, sind Resonanzen nicht selten, ebenso wenig wie Systeme mit mehreren Planeten. Extrem selten sind jedoch Systeme, bei denen sich die Resonanzen über eine so lange Kette von sechs Planeten erstrecken, wie es bei HD 110067 der Fall ist.

HD 110067 bietet optimale Voraussetzungen für die Modellierung von Planetenatmosphären, wie wir sie am IWF durchgeführt und in der Studie beschrieben haben", sagt Luca Fossati.

Planeten mit Radien zwischen denen der Erde und des Neptuns – auch Sub-Neptune genannt – befinden sich auf engen Umlaufbahnen um mehr als die Hälfte aller sonnenähnlichen Sterne. Dennoch sind ihre Zusammensetzung, Bildung und Entwicklung noch kaum verstanden. Auch bei dem untersuchten Planeten-Sextett handelt es sich um Sub-Neptune mit Radien zwischen 1,94 bis 2,85 Erdradien.

Das Studium von Mehrplanetensystemen bietet die Möglichkeit, die Ergebnisse der Planetenentstehung und -entwicklung zu untersuchen und dabei Anfangsbedingungen und Umgebung zu überprüfen. Planeten in Resonanz sind besonders wertvoll, da sie eine seit ihrer Geburt praktisch unveränderte Systemarchitektur besitzen. Man glaubt, dass nur etwa ein Prozent aller Systeme die Resonanz beibehält. Daher lädt HD 110067 zu weiteren Untersuchungen ein, denn der Stern zeigt den Forscher:innen die ursprüngliche Konfiguration eines Planetensystems, das über Milliarden von Jahren unangetastet geblieben ist. "HD 110067 bietet optimale Voraussetzungen für die Modellierung von Planetenatmosphären, wie wir sie am IWF durchgeführt und in der Studie beschrieben haben", setzt Fossati fort.

HD 110067 ist das hellste bekannte System mit vier oder mehr Planeten. Daher ermöglicht es den Astronom:innen, qualitativ hochwertige Daten zu gewinnen. Die gemessene Masse und Dichte von drei der Planeten lässt auf das Vorhandensein großer wasserstoffdominierter Atmosphären schließen. "Somit sind sie ideale Kandidaten für die Untersuchung der Zusammensetzung ihrer Atmosphären mit dem James-Webb-Weltraumteleskop", betont IWF-Direktorin Christiane Helling.