Aus einer Pressemitteilung des Subaru-Teleskops und des National Astronomical Observatory of Japan:
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Astronomen der Universität Tokio und des Nationalen Astronomischen Observatoriums Japans (NAOJ) hat herausgefunden, dass geneigte Umlaufbahnen für exoplanetare Systeme - solche außerhalb unseres Sonnensystems - eher typisch als selten sind. Ihre Messungen der Winkel zwischen den Rotationsachsen des Sterns (Sternrotationsachse) und der Umlaufbahn des Planeten (Planetenorbitalachse) der Exoplaneten HAT-P-11b und XO-4b zeigen, dass die Umlaufbahnen dieser Exoplaneten stark geneigt sind. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler den Winkel für einen kleinen Planeten wie HAT-P-11 b gemessen haben. Die neuen Erkenntnisse liefern wichtige Beobachtungsindikatoren zum Testen verschiedener theoretischer Modelle der Entwicklung der Umlaufbahnen von Planetensystemen.
Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 haben Wissenschaftler mehr als 500 Exoplaneten identifiziert, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, von denen fast alle Riesenplaneten sind. Die meisten dieser riesigen Exoplaneten umkreisen ihre Wirtssterne eng, im Gegensatz zu den riesigen Planeten unseres Sonnensystems wie Jupiter, die die Sonne aus der Ferne umkreisen. Akzeptierte Theorien gehen davon aus, dass diese Riesenplaneten ursprünglich aus reichlich vorhandenen planetbildenden Materialien weit entfernt von ihren Wirtssternen gebildet wurden und dann an ihre derzeit nahen Orte wanderten. Es wurden verschiedene Migrationsprozesse vorgeschlagen, um nahegelegene riesige Exoplaneten zu erklären.
Disk-Planet-Interaktionsmodelle der Migration konzentrieren sich auf Interaktionen zwischen dem Planeten und seiner protoplanetaren Scheibe, der Scheibe, aus der er ursprünglich gebildet wurde. Manchmal führen diese Wechselwirkungen zwischen der protoplanetaren Scheibe und dem sich bildenden Planeten zu Kräften, die den Planeten in Richtung des Zentralsterns fallen lassen. Dieses Modell sagt voraus, dass die Spinachse des Sterns und die Orbitalachse des Planeten miteinander ausgerichtet sind.
Planeten-Planeten-Interaktionsmodelle der Migration haben sich auf die gegenseitige Streuung zwischen Riesenplaneten konzentriert. Migration kann durch Planetenstreuung auftreten, wenn mehrere Planeten während der Erzeugung von zwei oder mehr Riesenplaneten innerhalb der protoplanetaren Scheibe streuen. Während einige der Planeten vom System zerstreut werden, kann der innerste eine endgültige Umlaufbahn sehr nahe am Zentralstern herstellen. Ein anderes Planet-Planet-Interaktionsszenario, die Kozai-Migration, postuliert, dass die langfristige Gravitationsinteraktion zwischen einem inneren Riesenplaneten und einem anderen Himmelsobjekt wie einem Begleitstern oder einem äußeren Riesenplaneten im Laufe der Zeit die Umlaufbahn des Planeten verändern und einen inneren Planeten näher bringen kann zum Zentralstern. Wechselwirkungen zwischen Planeten und Planeten, einschließlich Streuung zwischen Planeten und Planeten und Kozai-Migration, könnten eine geneigte Umlaufbahn zwischen dem Planeten und der Sternachse erzeugen.
Insgesamt stellt sich die Neigung der Orbitalachsen von Planeten in der Nähe zu den Spinachsen der Wirtssterne als sehr wichtige Beobachtungsgrundlage für die Unterstützung oder Widerlegung von Migrationsmodellen heraus, auf denen Theorien des Orbitalentwicklungszentrums basieren. Eine von Astronomen der Universität Tokio und der NAOJ geleitete Forschungsgruppe konzentrierte ihre Beobachtungen mit dem Subaru-Teleskop auf die Untersuchung dieser Neigungen für zwei Systeme, von denen bekannt ist, dass sie Planeten haben: HAT-P-11 und XO-4. Die Gruppe maß den Rossiter-McLaughlin-Effekt (im Folgenden RM) der Systeme und fand Hinweise darauf, dass sich ihre Orbitalachsen relativ zu den Spinachsen ihrer Wirtssterne neigen.
Der RM-Effekt bezieht sich auf offensichtliche Unregelmäßigkeiten in der Radialgeschwindigkeit oder -geschwindigkeit eines Himmelsobjekts in der Sichtlinie des Beobachters während Planetentransits. Im Gegensatz zu den Spektrallinien, die bei Messungen der Radialgeschwindigkeit im Allgemeinen symmetrisch sind, weichen diejenigen mit dem RM-Effekt in ein asymmetrisches Muster ab (siehe Abbildung 1). Eine solche offensichtliche Variation der Radialgeschwindigkeit während eines Transits zeigt den vom Himmel projizierten Winkel zwischen der Sternspinachse und der Planetenorbitalachse. Subaru Telescope hat an früheren Entdeckungen des RM-Effekts teilgenommen, die Wissenschaftler bisher für ungefähr 35 exoplanetare Systeme untersucht haben.
Im Januar 2010 nutzte ein Forschungsteam unter der Leitung der Astronomen des aktuellen Teams der Universität Tokio und des National Astronomical Observatory of Japan das Subaru-Teleskop, um das Planetensystem XO-4 zu beobachten, das 960 Lichtjahre von der Erde entfernt in der Lynx-Region liegt . Der Planet des Systems ist ungefähr 1,3-mal so massereich wie Jupiter und hat eine Kreisbahn von 4,13 Tagen. Ihre Detektion des RM-Effekts zeigte, dass sich die Orbitalachse des Planeten XO-4 b zur Spinachse des Wirtssterns neigt. Bisher hat nur das Subaru-Teleskop den RM-Effekt für dieses System gemessen.
Im Mai und Juli 2010 führte das aktuelle Forschungsteam gezielte Beobachtungen des exoplanetaren HAT-P-11-Systems durch, das 130 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung Sternbild Cygnus liegt. Der neptungroße Planet HAT-P-11 b umkreist seinen Wirtsstern in einer nicht kreisförmigen (exzentrischen) Umlaufbahn von 4,89 Tagen und gehört zu den kleinsten Exoplaneten, die jemals entdeckt wurden. Bis zu dieser Forschung hatten Wissenschaftler nur den RM-Effekt für Riesenplaneten entdeckt. Die Erkennung des RM-Effekts für kleinere Planeten ist schwierig, da das Signal des RM-Effekts proportional zur Größe des Planeten ist. Je kleiner der Transitplanet ist, desto schwächer ist das Signal.
; Das Team nutzte die enorme Lichtsammelkraft des 8,2-m-Spiegels des Subaru-Teleskops sowie die Präzision seines hochdispersen Spektrographen. Ihre Beobachtungen führten nicht nur zum ersten Nachweis des RM-Effekts für einen kleineren Exoplaneten in Neptungröße, sondern lieferten auch Hinweise darauf, dass die Orbitalachse des Planeten zur Sternspinachse um ungefähr 103 Grad am Himmel geneigt ist. Eine Forschungsgruppe in den USA verwendete das Keck-Teleskop und machte im Mai und August 2010 unabhängige Beobachtungen des RM-Effekts desselben Systems. Ihre Ergebnisse ähnelten denen der Beobachtungen des Teams der Universität Tokio / NAOJ vom Mai und Juli 2010.
Die Beobachtungen des aktuellen Teams zum RM-Effekt für die Planetensysteme HAT-P-11 und XO-4 haben gezeigt, dass sie Planetenbahnen haben, die stark zu den Spinachsen ihrer Wirtssterne geneigt sind. Die neuesten Beobachtungsergebnisse zu diesen Systemen, einschließlich derjenigen, die unabhängig von den hier berichteten Ergebnissen erhalten wurden, legen nahe, dass solche stark geneigten Planetenbahnen im Universum häufig existieren. Das Planet-Planet-Szenario der Migration, sei es durch Planet-Planet-Streuung oder Kozai-Migration, anstelle des Planet-Disk-Szenarios, könnte für ihre Migration zu den gegenwärtigen Orten verantwortlich sein.
Messungen des RM-Effekts für einzelne Systeme können jedoch nicht entscheidend zwischen den Migrationsszenarien unterscheiden. Mithilfe statistischer Analysen können Wissenschaftler feststellen, welcher Migrationsprozess gegebenenfalls für die stark geneigten Umlaufbahnen von Riesenplaneten verantwortlich ist. Da verschiedene Migrationsmodelle unterschiedliche Verteilungen des Winkels zwischen der Sternachse und der Planetenbahn vorhersagen, können Wissenschaftler durch die Entwicklung einer großen Stichprobe des RM-Effekts den plausibelsten Migrationsprozess unterstützen. Die Einbeziehung der Messungen des RM-Effekts für einen so kleinen Planeten wie HAT-P-11 b in die Stichprobe wird eine wichtige Rolle bei der Diskussion planetarischer Migrationsszenarien spielen.
Viele Forschungsgruppen planen, den RM-Effekt mit Teleskopen auf der ganzen Welt zu beobachten. Das derzeitige Team und das Subaru-Teleskop werden eine wichtige Rolle bei den kommenden Untersuchungen spielen. Kontinuierliche Beobachtungen transitierender exoplanetarer Systeme werden in naher Zukunft zum Verständnis der Entstehungs- und Migrationsgeschichte von Planetensystemen beitragen.
