CHEOPS findet einzigartiges Planetensystem

Musikalische Töne, die kombiniert angenehm klingen, können eine Harmonie bilden. Diese Töne stehen in der Regel in einem besonderen Verhältnis zueinander: Als Frequenzen ausgedrückt, ergeben ihre Verhältnisse einfache Brüche, wie z. B. Vier-Drittel oder Drei-Hälften. In ähnlicher Weise kann auch ein Planetensystem eine Art von Harmonie bilden, wenn sich Planeten, deren Umlaufzeitverhältnisse einfache Brüche bilden, regelmässig mit ihrer Schwerkraft anziehen. Zum Beispiel, wenn ein Planet drei Tage braucht, um seinen Stern zu umkreisen und sein Nachbar zwei Tage. Mit Hilfe des Weltraumteleskops CHEOPS fanden Forschende unter der Leitung des Astrophysikers Adrien Leleu vom Center for Space and Habitability der Universität Bern, der Universität Genf und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS solche Beziehungen zwischen fünf von sechs Planeten, die den über 200 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern TOI-178 umkreisen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht.

Ein fehlendes Teil in einem unerwarteten Puzzle

«Dieses Ergebnis hat uns überrascht, denn frühere Beobachtungen mit dem Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA deuteten auf ein Drei-Planeten-System hin, bei dem zwei Planeten sehr eng umeinanderkreisen. Wir beobachteten daher das System mit zusätzlichen Instrumenten, wie dem bodengebundenen ESPRESSO-Spektrographen am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile, aber die Ergebnisse waren nicht schlüssig», erinnert sich Leleu. Als das Team erstmals vorschlug, das System genauer zu untersuchen, waren sie sich daher nicht sicher, was sie finden würden. Die hohe Präzision und Zielgenauigkeit von CHEOPS sollte Klarheit bringen, doch das erwies sich als schwieriger als erwartet. «Nachdem wir die Daten aus elf Tagen Beobachtung des Systems mit CHEOPS analysiert hatten, schien es, als gäbe es mehr Planeten, als wir zunächst dachten», sagt Leleu. Das Team identifizierte eine mögliche Lösung mit fünf Planeten und beschloss, einen weiteren Tag kostbarer Beobachtungszeit in das System zu investieren, um dies zu bestätigen. Sie fanden heraus, dass tatsächlich fünf Planeten mit Umlaufzeiten von etwa 2, 3, 6, 10 bzw. 20 Tagen vorhanden waren.

Obwohl ein System mit fünf Planeten an sich schon ein bemerkenswerter Fund gewesen wäre, fiel Leleu und seine Kollegeninnen und Kollegen auf, dass mehr dahinterstecken könnte: Das System schien in Harmonie zu sein. «Unsere Theorie implizierte, dass es einen zusätzlichen Planeten in dieser Harmonie geben könnte; allerdings müsste seine Umlaufzeit sehr nahe bei 15 Tagen liegen», erklärt Leleu. Um zu überprüfen, ob ihre Theorie tatsächlich stimmte, plante das Team eine weitere Beobachtung mit CHEOPS, und zwar genau zu dem Zeitpunkt, an dem dieser fehlende Planet vorbeiziehen würde – wenn es ihn denn gäbe. Doch dann drohte ein Unfall die Pläne zunichte zu machen.

Vorhersage trotz Beinahe-Kollision bestätigt

«Kurz vor dem Zeitpunkt der Beobachtung drohte ein Stück Weltraumschrott mit dem CHEOPS-Satelliten zu kollidieren», wie sich Mitautor und Professor für Astrophysik an der Universität Bern, Yann Alibert, erinnert. Deshalb leitete das Kontrollzentrum der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ein Ausweichmanöver des Satelliten ein und alle Beobachtungen wurden unterbrochen. «Aber zu unserer grossen Erleichterung wurde dieses Manöver sehr effizient durchgeführt, und der Satellit konnte die Beobachtungen gerade noch rechtzeitig wieder aufnehmen, um den mysteriösen vorbeiziehenden Planeten einzufangen», berichtet Nathan Hara, Mitautor und Astrophysiker von der Universität Genf. «Einige Tage später zeigten die Daten eindeutig die Anwesenheit des zusätzlichen Planeten an und bestätigten damit, dass sich tatsächlich sechs Planeten im TOI-178-System befinden», so Hara.

Ein System, das aktuelles Verständnis herausfordert

Dank der Präzision der CHEOPS-Messungen sowie früherer Daten der TESS-Mission, des ESO-Spektrographen ESPRESSO und anderer Instrumente, konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur die Perioden und Grössen der Planeten mit 1,1- bis 3-fachem Erdradius messen, sondern auch ihre Dichten abschätzen. Dabei gab es eine weitere Überraschung: Verglichen mit der harmonischen, geordneten Art und Weise, mit der die Planeten um ihren Stern kreisen, scheinen ihre Dichten eine wilde Mischung zu sein.

«Es ist das erste Mal, dass wir so etwas beobachten», sagt ESA-Projektwissenschaftlerin Kate Isaak und fügt hinzu: «In den wenigen Systemen, die wir mit einer solchen Harmonie kennen, nimmt die Dichte der Planeten mit der Entfernung zum Stern stetig ab. Im TOI-178- System scheint ein dichter, terrestrischer Planet wie die Erde direkt neben einem sehr flauschigen Planeten mit der halben Dichte von Neptun zu liegen, gefolgt von einem, der Neptun sehr ähnlich ist.»

«Das System entpuppt sich daher als eines, das unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen herausfordert», fasst Adrien Leleu zusammen.