Hot Jupiters stellen einige der extremsten Planeten in unserer Galaxie dar. Diese glühenden Welten sind so massereich wie Jupiter, bewegen sich aber sehr nahe an ihren Sternen und vollenden eine Umlaufbahn in wenigen Tagen, im Gegensatz zu unserem Jupiter, der etwa 4.000 Tage benötigt, um die Sonne zu umrunden.

Wissenschaftler vermuten, dass Hot Jupiters nicht immer so heiß waren und möglicherweise als “kalte Jupiters” in kälteren, weiter entfernten Teilen des Universums entstanden sind. Doch wie sie sich zu den heißen Riesen entwickelten, die wir heute beobachten, bleibt eine große Frage.

Astronomen vom MIT, der Penn State University und anderen Institutionen haben einen “Vorfahren” der Hot Jupiters entdeckt — einen jungen Planeten, der im Begriff ist, ein Hot Jupiter zu werden. Seine Umlaufbahn liefert Antworten auf Fragen zur Evolution dieser Planeten.

Der neue Planet, bezeichnet als TIC 241249530 b, umkreist einen Stern in etwa 1.100 Lichtjahren Entfernung von der Erde. Der Planet hat eine stark "exzentrische" Umlaufbahn, was bedeutet, dass er sehr nahe an den Stern herankommt, bevor er sich entfernt und eine enge, elliptische Schleife bildet. Wäre er Teil unseres Sonnensystems, käme er der Sonne 10-mal näher als Merkur, bevor er knapp hinter die Erde zurückkehren und wieder umkreisen würde. Wissenschaftler schätzen, dass dieser Planet die exzentrischste Umlaufbahn hat, die jemals entdeckt wurde.

Die Umlaufbahn dieses Planeten ist auch einzigartig wegen ihrer "retrograden" Orientierung. Im Gegensatz zur Erde und anderen Planeten in unserem System, die in die gleiche Richtung wie die Rotation der Sonne umkreisen, bewegt sich dieser Planet in die entgegengesetzte Richtung der Rotation seines Sterns.

Das Team führte Simulationen der Umlaufbahndynamik durch und fand heraus, dass die stark exzentrische und retrograde Umlaufbahn Anzeichen dafür sind, dass der Planet sich wahrscheinlich in einen Hot Jupiter entwickelt, durch einen Prozess, der als "Migration mit hoher Exzentrizität" bekannt ist — ein Prozess, bei dem die Umlaufbahn des Planeten schwankt und sich allmählich verkleinert, während er mit einem anderen Stern oder Planeten in einer viel weiteren Umlaufbahn interagiert.

Im Fall von TIC 241249530 b stellten die Forscher fest, dass der Planet einen primären Stern umkreist, der selbst einen sekundären Stern umkreist, als Teil eines Doppelsternsystems. Wechselwirkungen zwischen den beiden Umlaufbahnen — des Planeten und seines Sterns — haben dazu geführt, dass der Planet sich im Laufe der Zeit allmählich seinem Stern angenähert hat.

Derzeit ist die Umlaufbahn des Planeten elliptisch, und der Planet benötigt etwa 167 Tage, um den Stern zu umrunden. Die Forscher prognostizieren, dass der Planet in einer Milliarde Jahren in eine viel engere, kreisförmige Umlaufbahn übergehen wird, wobei er den Stern alle paar Tage umrundet. Dann wird der Planet vollständig zu einem Hot Jupiter geworden sein.

“Dieser neue Planet unterstützt die Theorie, dass die Migration mit hoher Exzentrizität einige der Hot Jupiters erklären sollte,” sagt Sarah Millholland, Assistenzprofessorin für Physik am Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung des MIT. “Wir glauben, dass dieser Planet, als er entstand, eine kalte Welt war. Und aufgrund der dramatischen Umlaufbahndynamik wird er in etwa einer Milliarde Jahren zu einem Hot Jupiter mit Temperaturen von mehreren tausend Kelvin werden. Es ist also ein riesiger Sprung von dem Ort, an dem er begann.”

Millholland und ihre Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift Nature. Ihre Mitautoren sind Haedam Im, ein Student am MIT, der Hauptautor Arvind Gupta von der Penn State University und dem NSF NOIRLab, sowie Mitarbeiter von mehreren Universitäten, Institutionen und Observatorien.

Radikale Jahreszeiten
Der neue Planet wurde erstmals in Daten entdeckt, die vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA gesammelt wurden, einer vom MIT geleiteten Mission, die die Helligkeit nahegelegener Sterne überwacht und nach "Transits" sucht, kurzen Einbrüchen im Sternenlicht, die auf die Anwesenheit eines Planeten hinweisen können, der vor dem Stern vorbeizieht und vorübergehend dessen Licht blockiert.

Am 12. Januar 2020 zeichnete TESS einen möglichen Transit des Sterns TIC 241249530 auf. Gupta und seine Kollegen von der Penn State stellten fest, dass der Transit mit einem Jupiter-großen Planeten übereinstimmt, der vor dem Stern vorbeizieht. Sie erhielten dann Radialgeschwindigkeitsmessungen des Sterns von anderen Observatorien, die das Wackeln des Sterns abschätzen, also das Ausmaß, in dem er sich hin- und herbewegt, als Reaktion auf andere nahegelegene Objekte, die ihn gravitativ beeinflussen könnten.

Diese Messungen bestätigten, dass ein Jupiter-großer Planet den Stern umkreist und dass seine Umlaufbahn sehr exzentrisch ist, wobei der Planet dem Stern sehr nahe kommt, bevor er weit weggeschleudert wird.

Vor dieser Entdeckung kannten Astronomen nur einen weiteren Planeten, HD 80606 b, von dem man annahm, dass er ein früher Hot Jupiter ist. Dieser Planet, der 2001 entdeckt wurde, hielt bis jetzt den Rekord für die höchste Exzentrizität.

“Dieser neue Planet erlebt wirklich dramatische Veränderungen im Sternenlicht während seiner Umlaufbahn,” sagt Millholland. “Es muss wirklich radikale Jahreszeiten und eine absolut verbrannte Atmosphäre geben, jedes Mal, wenn er dem Stern nahekommt.”

Orbitaler Tanz
Wie konnte der Planet in eine so extreme Umlaufbahn geraten? Und wie könnte sich seine Exzentrizität im Laufe der Zeit entwickeln? Um das herauszufinden, führten Im und Millholland Simulationen der Umlaufbahndynamik des Planeten durch, um zu modellieren, wie der Planet sich über seine Geschichte hinweg entwickelt haben könnte und wie er sich über Hunderte Millionen Jahre hinweg weiterentwickeln könnte.

Das Team modellierte die gravitativen Wechselwirkungen zwischen dem Planeten, seinem Stern und einem anderen nahegelegenen Stern. Gupta und seine Kollegen beobachteten, dass die beiden Sterne in einem Doppelsternsystem umeinander kreisen, während der Planet gleichzeitig den näheren Stern umkreist. Die Konfiguration der beiden Umlaufbahnen ist wie ein Zirkusartist, der einen Hula-Hoop-Reifen um seine Taille dreht, während er einen anderen Hula-Hoop-Reifen um sein Handgelenk dreht.

Millholland und Im führten mehrere Simulationen durch, jede mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen, um zu sehen, welche Bedingung, wenn sie über mehrere Milliarden Jahre hinweg vorangetrieben wird, die heute von Guptas Team beobachtete Umlaufbahnkonfiguration des Planeten und der Sterne produziert. Sie führten dann die beste Übereinstimmung weiter in die Zukunft, um vorherzusagen, wie sich das System in den nächsten Milliarden Jahren entwickeln würde.

Diese Simulationen ergaben, dass der neue Planet wahrscheinlich im Prozess der Entwicklung zu einem Hot Jupiter ist: Vor mehreren Milliarden Jahren entstand der Planet als kalter Jupiter, weit entfernt von seinem Stern, in einer Region, die kühl genug war, um zu kondensieren und zu formen. Neu entstanden, umkreiste der Planet wahrscheinlich den Stern auf einer kreisförmigen Bahn. Diese konventionelle Umlaufbahn dehnte sich jedoch allmählich aus und wurde exzentrisch, da sie gravitative Kräfte aufgrund der nicht ausgerichteten Umlaufbahn ihres Sterns mit dem anderen, binären Stern erfuhr.

“Es ist ein ziemlich extremer Prozess, bei dem die Veränderungen in der Umlaufbahn des Planeten massiv sind,” sagt Millholland. “Es ist ein großer Tanz der Umlaufbahnen, der sich über Milliarden von Jahren abspielt, und der Planet geht einfach mit dem Fluss.”

In einer Milliarde Jahren zeigen Simulationen, dass die Umlaufbahn des Planeten sich in einen engen, kreisförmigen Pfad um seinen Stern stabilisieren wird.

“Dann wird der Planet vollständig zu einem Hot Jupiter,” sagt Millholland.

Die Beobachtungen des Teams, zusammen mit den Evolutionssimulationen des Planeten, unterstützen die Theorie, dass Hot Jupiters durch Migration mit hoher Exzentrizität entstehen können, ein Prozess, bei dem ein Planet allmählich seinen Platz durch extreme Veränderungen in seiner Umlaufbahn im Laufe der Zeit einnimmt.

“Es ist klar, nicht nur aus diesem, sondern auch aus anderen statistischen Studien, dass die Migration mit hoher Exzentrizität einige der Hot Jupiters erklären sollte,” bemerkt Millholland. “Dieses System zeigt, wie unglaublich vielfältig Exoplaneten sein können. Dies sind mysteriöse andere Welten, die wilde Umlaufbahnen haben können, die eine Geschichte darüber erzählen, wie sie so wurden und wohin sie gehen. Für diesen Planeten ist seine Reise noch nicht beendet.”

“Es ist wirklich schwierig, diese Vorfahren von Hot Jupiters 'auf frischer Tat' zu erwischen, während sie ihre super exzentrischen Episoden durchlaufen, daher ist es sehr aufregend, ein System zu finden, das diesen Prozess durchläuft,” sagt Smadar Naoz, Professor für Physik und Astronomie an der University of California, Los Angeles, der nicht an der Studie beteiligt war. “Ich glaube, dass diese Entdeckung die Tür zu einem tieferen Verständnis der anfänglichen Konfiguration von Exoplanetensystemen öffnet.”

Die neue Forschung erweitert das Verständnis darüber, wie komplexe gravitative Beziehungen zwischen Sternen und Planeten die Evolution von Planetensystemen gestalten können. Es ist der Schlüssel zur Aufdeckung der Geheimnisse der Entstehung und Transformation von Himmelskörpern und kann wichtige Einblicke in die Entwicklung von Exoplaneten bieten, die für Leben geeignet sein könnten. Im Kontext der breiteren Weltraumforschung helfen Entdeckungen wie TIC 241249530 b uns, unser eigenes Sonnensystem und seinen Platz in der galaktischen Geschichte besser zu verstehen.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology