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Sterne prägen zwei unterschiedliche Gruppen von Planetensystemen
Bekannte Planetensysteme unterscheiden sich stark in Zahl, Masse und Abstand ihrer Welten. Eine Analyse von 298 Mehrplanetensystemen zeigt nun zwei Familien, deren Aufbau eng mit den Eigenschaften ihrer Zentralsterne zusammenhängt. Vor allem massereiche Systeme zeigen Spuren heftiger gravitativer Störungen. Das könnte erklären, weshalb viele von ihnen im Laufe ihrer Geschichte Planeten verloren haben.
Rom (Italien). Manche Sterne besitzen mehrere eng benachbarte Planeten mit ähnlichen Massen. Andere werden von wenigen massereichen Welten auf weit voneinander entfernten Bahnen umkreist. Warum diese Planetensysteme so verschieden aufgebaut sind, lässt sich bislang nicht allein mit den Bedingungen ihrer Entstehung erklären.
Mehr als 1.000 Sterne mit mehreren bekannten Planeten sind inzwischen erfasst. Bei vielen fehlen jedoch zuverlässige Massen oder Bahndaten. Außerdem entdecken heutige Messverfahren bevorzugt große oder sternnahe Planeten und lassen deshalb erhebliche Teile der tatsächlichen Vielfalt im Verborgenen.
Forscher des Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) um Dr. Diego Turrini haben deshalb 298 ausreichend charakterisierte Systeme einheitlich ausgewertet. Sie verglichen unter anderem die Gesamtmasse der Planeten, ihre Bahnabstände und die Eigenschaften der jeweiligen Sterne. Drei kleinere Teilstichproben dienten dazu, die Ergebnisse gegen Messlücken und Auswahlverzerrungen abzusichern.
Die erste Familie umfasst überwiegend vergleichsweise leichte Systeme mit eng angeordneten Planeten ähnlicher Größe oder Masse. Diese Planeten umkreisen meist Sterne, die höchstens ungefähr so schwer und metallreich sind wie unsere Sonne. Die zweite Familie enthält massereichere Planetensysteme mit weiter außen verlaufenden Bahnen. Ihre Sterne sind im Mittel schwerer und reicher an Elementen jenseits von Wasserstoff und Helium.
Bei einem Stern von Sonnenmasse entspricht die leichtere Gruppe einer gesamten Planetenmasse von höchstens etwa 80 Erdmassen, die schwere Gruppe beginnt bei ungefähr 400 Erdmassen. Dazwischen liegt ein Übergangsbereich, in dem keine eindeutige Zuordnung möglich ist. Obwohl sich die Bahnen der schweren Familie weiter erstrecken, stehen ihre großen Planeten im Verhältnis zu ihrer gegenseitigen Anziehung gravitativ oft dichter beisammen.
Ein besonders deutlicher Unterschied betrifft die sogenannte dynamische Anregung. Dieser Kennwert beschreibt, wie weit die Planetenbahnen von einer ruhigen Anordnung aus Kreisbahnen in einer Ebene abweichen. In den massereichen Systemen liegt er typischerweise rund zehnmal höher als in der leichteren Familie und in unserem Sonnensystem. Das deutet auf eine bewegtere Vergangenheit mit engen Begegnungen, Zusammenstößen oder hinausgeschleuderten Planeten hin.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass es einen genetischen Zusammenhang zwischen Planetensystemen und ihren Sternen gibt und dass dieser Zusammenhang je nach Stern, um den sie entstehen, auch ihr Schicksal bestimmt“, erklärt Dr. Diego Turrini.
Als mögliche Ursache sehen die Autoren die ursprünglichen Scheiben aus Gas, Staub und Eis, in denen Planeten heranwachsen. Aus Sternmasse und Metallgehalt schätzt das Team, dass in der Geburtsumgebung der schweren Familie im Mittel ungefähr dreimal so viel festes Baumaterial vorhanden war wie in jener der leichteren Systeme. Unter solchen Bedingungen können Planeten besonders stark wachsen und einander anschließend stärker beeinflussen.
Numerische Simulationen stützen diese Deutung. Darin ließen die Forscher künstliche Planetensysteme mit unterschiedlichen Ausgangsanordnungen über jeweils zehn Millionen Jahre durchlaufen. Besonders gut passten anfangs instabile Konfigurationen zu den beobachteten dynamischen Eigenschaften. Bei den stark angeregten simulierten Systemen ging häufig mindestens ein Planet durch Kollision, Auswurf oder Sturz in den Stern verloren.