Möglichkeit von Planeten

Die erste Frage ist, ob Planeten in einem Doppelsternsystem wie Alpha Centauri überhaupt entstehen und stabil kreisen können. Erste Computersimulationen von Heppenheimer im Jahr 1978 haben gezeigt, dass sich Planeten in einem Doppelsternsystem nur bilden können wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

• Beide Sterne sind relativ weit entfernt (mindestens 50 Astronomische Einheiten oder 7,5 Milliarden Kilometer)
• Ein Stern ist relativ klein

Mittlerweile sind aber Planeten in Doppel- oder Mehrfachsternsystemen entdeckt worden. Daher sind die Ergebnisse von Heppenheimer heute im Zeitalter leistungsstarker Computer eher als historisch zu betrachten.

Gibt es stabile Umlaufbahnen?

Paul A. Wiegert (Department of Astronomy, University of Toronto) und Matt Holman (Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, Toronto) haben 1996 Computersimulationen mit Testpartikeln gemacht. Die Testpartikel wurden auf kreisförmige Bahnen in zwei Bereiche des Alpha Centauri Systems gesetzt. Einmal um Alpha Centauri A mit einem Abstand zwischen 0,23 und 11,7 Astronomische Einheiten. Der andere Bereich wurde um beide Sterne (Alpha Centauri A und B im Zentrum) gelegt, und zwar mit einem Abstand zwischen 35 und 117 Astronomische Einheiten. Dabei wurden 32.000 Umlaufperioden (ca. 2,5 Millionen Jahre) simuliert. Eine Umlaufperiode entspricht einen Umlauf von Alpha Centauri A / B, was knapp 80 Jahre dauert.

Auf eine separate Simulation um Alpha Centauri B wurde verzichtet, da die Massen beider Sterne in etwa gleich sind, und die Ergebnisse daher recht ähnlich sein dürften.

Diese Studien haben gezeigt, dass der größte Bereich im Alpha Centauri System für Planetenbahnen instabil ist. Allerdings gibt es zwei Bereiche, wo Planeten stabil kreisen können und das in Zeiträumen von Millionen von Jahren. Die erste stabile Zone befindet sich in einem Abstand bis 3 Astronomische Einheiten um jeden der beiden Sterne, wobei die Bahnneigung der Planetenbahn gegen die Umlaufebene von Alpha Centauri A / B weniger als 60 Grad beträgt. Bei Bahnneigungen zwischen 60 und 120 Grad gab es keine stabilen Bahnen. Die andere stabile Zone befindet sich in einem Abstand von mehr als 70 Astronomischen Einheiten um beide Sterne.

Die andere stabile Zone befindet sich in einem Abstand von mehr als 70 Astronomischen Einheiten um beide Sterne.

Die Arbeit ist 1996 erschienen unter dem Titel:

• The Stability of Planets in the Alpha Centauri system (Wiegert, Holman, 1996)

Die Abstände der beiden Sonnen Alpha Centauri A und B sind also ausreichend groß, um die Existenz eines Planetensystems um jeden der beiden Sterne zu ermöglichen. Aus den Berechnungen verschiedener Computermodelle geht eindeutig hervor, dass sich um beide Sterne ausschließlich kleine Gesteinsplaneten bilden konnten. Die Entstehung von Gasriesen wie Jupiter oder Saturn ist in dem Doppelsternsystem Alpha Centauri sehr unwahrscheinlich. Auch wären große Gasplaneten um Alpha Centauri schon längst entdeckt worden, da man solche schon oft um weit entferntere Sterne gefunden hat.

Wie die Computersimulationen von Paul A. Wiegert und Matt Holman gezeigt haben, sind auch Planeten möglich, die in einem Abstand von mehr als 70 Astronomische Einheiten weit außen um beide Sterne herum kreisen.

Typen von Planetenbahnen

An dieser Stelle kann man festhalten, dass es in einem Doppelsternsystem wie Alpha Centauri grundlegend zwei Typen von Planetenbahnen gibt:

• Typ S - ein Planet kreist um einen der beiden Sterne
• Typ P - ein Planet kreist weit außen um beide Sterne

Habitable Zonen

Als habitable Zone (bewohnbare oder Lebenszone) ist der Bereich gemeint, in dem ein Planet um seinen Stern kreisen muß, damit auf ihm erdähnliche Temperaturen herrschen und Wasser in flüssiger Form existieren kann.

Nach Hart (1979) befindet sich bei Alpha Centauri A die habitable Zone in einem Abstand von 1,2 Astronomische Einheiten (180 Millionen Kilometer) bis 1,3 Astronomische Einheiten (195 Millionen Kilometer). Bei dem etwas kühleren Alpha Centauri B befindet sich die habitable Zone in einem Abstand von 0,73 Astronomische Einheiten (110 Millionen Kilometern) bis 0,74 Astronomische Einheiten (111 Millionen Kilometern).

Nach den Computersimulationen von Paul A. Wiegert und Matt Holman liegt die habitable Zone bei Alpha Centauri A und B in dem Bereich, wo Planetenbahnen über Jahrmillionen stabil sind. Damit sind in diesem Sternsystem Planeten möglich, auf denen erdähnliche Temperaturen und theoretisch flüssiges Wasser existieren kann.

Planeten um Alpha Centauri B?

Im Jahr 2008 führte ein Team von Astronomen an der University of California in Santa Cruz umfangreiche Computersimulationen mit verschiedenen Anfangsbedingungen bei dem Stern Alpha Centauri B durch. Die insgesamt acht Simulationen wurden in der späten Phase der Planetenbildung begonnen, wo sich durch die Kollisionen von sogenannten Planetenembryos die größeren Protoplaneten bilden. Die Anzahl der Planetenembryos lag zwischen 400 und 900 um Alpha Centauri B.

Nach jeder Simulation entstand um Alpha Centauri B ein Planetensystem bestehend aus 1 bis 4 Planeten. Dabei handelte es sich jedesmal um erdähnliche Gesteinsplaneten, mit Massen zwischen 0,02 und knapp 3 Erdmassen. Oft befand sich zumindest ein Planet im Bereich der habitablen Zone.

Gregory Laughlin, Professor für Astronomie und Astrophysik in Santa Cruz, sagte das sich eine Suche lohnt, weil er glaubt das die simulierten Planeten um Alpha Centauri B wirklich da sind. Eine erfolgreiche Suche wäre bereits nach einigen Jahren Beobachtungszeit möglich. Die Arbeit ist im März 2008 erschienen unter dem Titel:

• Formation and Detectability of Terrestrial Planets around Centauri B

In dem genannten Paper sind die Ergebnisse aus 8 Simulationen in einer Tabelle zusammengestellt, in der die Daten zu jedem simulierten Planeten, z. B. Größe und Abstand zu Alpha Centauri B angegeben ist. Anhand dieser Daten habe ich im gleichem Maßstab einige Skizzen der simulierten Planetensysteme um Alpha Centauri B erstellt. Die Größe der Planeten ist in den Skizzen übertrieben, da man sie ansonsten nur als winzigen Punkt sehen würde. Die Größenverhältnisse der Planeten sind aber richtig. In den Skizzen ist die habitable Zone um Alpha Centauri B als dunkelroter Ring gekennzeichnet. Sie ist hier etwas großzügiger angelegt und reicht von 0,5 bis 0,85 Astronomischen Einheiten um Alpha Centauri B.

Es wurden ausschließlich Computersimulationen zu Alpha Centauri B durchgeführt, da Alpha Centauri B der ideale Kandidat für die Suche nach erdähnlichen Planeten ist. Wir haben das Glück, ein Doppelsternsystem aus zwei sonnenähnlichen Sternen quasi direkt vor der Haustür zu haben. Alpha Centauri B ist uns sehr nahe und weiterhin ist seine solare Aktivität recht gering. Da wir auf die Umlaufebene von Alpha Centauri A / B unter einem sehr flachen Winkel sehen, läßt sich ein Wackeln von Alpha Centauri B durch vorhandene Planeten relativ gut messen.

In der oben genannten wissenschaftlichen Arbeit wurde erwähnt, dass unser Verständnis von der Planetenentstehung stark darauf hindeutet, dass auch Alpha Centauri A von einem Planetensystem umgeben ist.

Planetenbildung schwierig?

Im Juni 2008 ist eine weitere Studie mit Computersimulationen bei Alpha Centauri A erschienen (Thebault, Marzari, Scholl). Sie ist zu dem Ergebnis gekommen, dass sich um Alpha Centauri A kaum größere Planeten in einem Abstand von mehr als 0,5 Astronomische Einheiten bilden konnten.

• Planet formation in Alpha Centauri A revisited: not so accretion-friendly after all

Wenig später wurden diese Simulationen auch bei Alpha Centauri B durchgeführt, mit dem gleichen Ergebnis:

• Planet formation in the habitable zone of Alpha Centauri B

Wie kommt es zu diesem anderen Ergebnis? Die vorigen Simulationen vom März 2008 bei Alpha Centauri B wurden ab der späten Phase der Planetenbildung begonnen, wo Planetenembryos durch Kollisionen zu Protoplaneten zusammenwachsen. Die Simulationen vom Juni und November 2008 wurden dagegen ab der frühen Phase der Planetenbildung begonnen. Und diese scheint das Problem zu sein.

In dieser frühen Phase bilden sich durch die Kollisionen kleiner kilometergroßer Teilchen, sogenannter Planetesimale, die größeren Planetenembryos. Durch die Gravitationsstörungen des Begleitsterns werden diese Planetesimale in stark elliptische Bahnen gebracht. Die Exzentrizität und Ausrichtung dieser Bahnen hängt von der Masse der Planetesimale ab. Und da viele Planetesimale verschiedener Massen vorhanden sind, kreuzen sich ihre Bahnen überall. In den äußeren Bereichen, die weiter als 0,5 Astronomische Einheiten vom Stern entfernt sind, werden die Kollisionsgeschwindigkeiten zwischen den Planetesimalen verschiedener Massen zu hoch. Dadurch werden die Planetesimale eher zerkleinert, statt zu größeren Planetenembryos zu verkleben. Die Bildung größerer Planeten bleibt so auf dem Bereich von weniger als 0,5 Astronomische Einheiten um den Stern beschränkt.

Nach dieser Studie können Planeten in einem Abstand von mehr als 0,5 Astronomische Einheiten um Alpha Centauri A oder B aber auch nicht völlig ausgeschlossen werden. Möglich wäre z. B. dass sich eventuell Planeten in einem Abstand unter 0,5 Astronomische Einheiten um Alpha Centauri A gebildet haben, diese später aber auf eine weiter außen liegende Umlaufbahn abgewandert sind.

Diskutiert wird auch die Möglichkeit, ob Alpha Centauri in früherer Vergangenheit vielleicht ein instabiles Mehrfachsternsystem war, das aus drei oder mehr Komponenten bestand und aus dem später die anderen Komponenten ausgestoßen wurden.

Es ist auch möglich, dass sich Alpha Centauri A und B in einem größeren Abstand als heute geformt haben und sich erst später einander genähert haben. Dies wäre ein wesentlich günstigeres Umfeld für Planetenbildungen gewesen als die heutige Konstellation. Bei einer Bahnexzentrizität von 0,52 müßte die große Halbachse der Umlaufbahn der Sterne größer als 37 Astronomische Einheiten sein, um eine Planetenbildung in der habitablen Zone von Alpha Centauri B zu ermöglichen. Eine vollkommen ungestörte Planetenbildung in der habitablen Zone von Alpha Centauri B ist erst bei einer großen Halbachse von mehr als 52 Astronomische Einheiten möglich. Das ist mehr als der doppelte Abstand von heute (23 Astronomische Einheiten).

Das letzte Wort ist hier noch lange nicht gesprochen und es sind auf jeden Fall weitere Untersuchungen notwendig. Den endgültigen Beweis wo und wieviele Planeten wirklich im Alpha Centauri System vorhanden sind werden wohl erst zukünftige Planet-Finder Projekte liefern.

Erster Planet um Alpha Centauri B entdeckt?

Am 18. Oktober 2012 wurde ich durch die Presse auf die Entdeckung eines Planeten im Doppelsternsystem Alpha Centauri aufmerksam.

Ich begann am gleichen Abend im Internet nach Meldungen zu suchen und fand einiges. Mit dem HARPS-Spektrografen am 3,6-Meter-Teleskop auf La Silla in Chile wurde Alpha Centauri vier Jahre lang beobachtet. Anhand der ausgewerteten Daten wurde ein Wackeln des Sterns Alpha Centauri B von etwa 1,8 Kilometer pro Stunde gemessen, und das war eine enorme meßtechnische Leistung!

Ein solches Wackeln eines Sterns kommt dadurch zustande, wenn ein Planet oder auch mehrere Planeten einen Stern umkreisen. Die Schwerkraft eines Planeten wirkt natürlich auch auf den Stern und bringt ihn etwas ins Taumeln. Der Stern taumelt umso stärker, je größer die Masse des ihn umkreisenden Planeten ist und je näher sich dieser an dem Stern befindet.

Aus den Messungen des HARPS-Spektrografen auf La Silla ergab sich, dass ein Planet der etwa die Masse der Erde hat, den Stern Alpha Centauri B in einer Zeit von nur 3,2 Tagen umkreist. Der Planet ist etwa 6 Millionen Kilometer von Alpha Centauri B entfernt, was etwa zehnmal näher ist, wie der Abstand des Planeten Merkur von der Sonne!

Damit ist es auf diesen Planeten glühend heiß. Wegen seiner Nähe zum Mutterstern wird dieser Planet mit Sicherheit eine gebundene Rotation haben - er wendet Alpha Centauri B also stets die gleiche Seite zu, womit es eine ständige Tag- und Nachtseite gibt. Auf der Tagseite würden Temperaturen von über 600 Grad herrschen, teilweise glühendes Gestein und eine riesige Sonne am Himmel, während die Nachtseite bitterkalt wäre. Ob der Planet eine Atmosphäre besitzt, weiß man derzeit nicht, aber Leben dürfte dort wohl so gut wie unmöglich sein.

Der neu entdeckte Planet erhielt die Bezeichnung Alpha Centauri Bb. Bei dem entdeckten Planeten um Alpha Centauri B gibt es aber auch Skepsis. Eine neuere Untersuchung konnte den Planeten nicht mehr nachweisen, seine Existenz aber auch nicht widerlegen. Dies zeigt, wie schwierig solch genaue Messungen noch sind, und dass diese Messung hart an der Genauigkeitsgrenze erfolgte. Der Entdecker des Planeten Alpha Centauri Bb gab später an, dass das Signal dieses Planeten wohl eher fehlerhaft war. Ob der Planet Alpha Centauri Bb wirklich existiert, können nur zukünftige Beobachtungen entscheiden.

Es können weitere Planeten um Alpha Centauri B vorhanden sein. Diese zu finden ist aber noch schwieriger, sollte aber mit zukünftig geplanten Planet-Finder Projekten leicht möglich sein.

Erster Planet um Alpha Centauri A entdeckt?

Im Jahr 2021 wurde an dem Very Large Telescope eine neue Meßmethode durchgeführt, die kleinere Exoplaneten um ihren Mutterstern direkt abbilden soll. Dabei wurde ein möglicher Kandidat mit einer Größe von 3 bis 7 Erdradien vorgestellt, der Alpha Centauri A in einer Entfernung von 1,1 AE umkreisen soll. Es handelt sich bis jetzt aber nur um einen Verdacht. Auch hier müssen weitere Messungen klären, ob dieser Planet Alpha Centauri Ab wirklich existiert.