Entdeckungen des GRAND-Projekts beleuchten Dynamik und Entwicklung von Multiplanetensystemen
Im Projekt GRAND (GRAvitational N-body Dynamics: Dynamics and evolution of multiple planetary systems) werden zwei Kernziele verfolgt: Erstens soll die Entstehung und Entwicklung von natürlichen Satelliten von Planeten, Systemen aus mehreren Monden und binären Planetesimalen sowie deren Rolle bei der Entstehung von Planeten erforscht werden. Zweitens sollen die Eigenschaften und die Entwicklung von Systemen mit mehreren Planeten beleuchtet werden. Das Projekt wird bis Februar 2017 laufen, und es wurden schon viele interessante Erkenntnisse gesammelt. So könnten Impaktoren eine ähnliche Zusammensetzung wie die erdähnlichen Planeten aufweisen, auf denen sie einschlagen. Zudem wurde umfassend analysiert, in welcher Reihenfolge die Planeten in Multiplanetensystemen angeordnet sind und welche Stabilitätskriterien für Monde in solchen Systemen gelten. Prof. Hagai Perets, Koordinator des GRAND-Projekts und Assistenzprofessor an der physikalischen Fakultät des Technion in Israel, spricht über die bis heute erzielten Ergebnisse des Projekts. Warum haben Sie sich entschlossen, Ihre Forschung auf Multiplanetensysteme zu konzentrieren? Von den tausenden Exoplaneten, die in den letzten Jahren entdeckt wurden, gehören viele zu Multiplanetensystemen, und es ist sehr wahrscheinlich, dass viele der einzelnen Planeten tatsächlich auch über noch unentdeckte Begleiter verfügen. Wenn die Entstehung von Planeten und die Struktur exosolarer Planetensysteme untersucht werden sollen, muss man sich mit Multiplanetensystemen befassen. Als Experte für Sternen- und Planetendynamik bin ich an diesem Forschungsgebiet sehr interessiert, da hier sehr wichtige und komplexe physikalische Vorgänge erforscht werden. Welcher Nutzen ergibt sich aus der Erforschung der Entwicklung solcher Systeme? Die Wechselwirkungen zwischen Planeten und Monden spielen in Planetensystemen in vielerlei Hinsicht eine wichtige Rolle: bei der Entstehung und dem Wachstum der Himmelskörper durch Kollisionen und auch für deren Struktur. Diese Wechselwirkungen haben sowohl kurz- als auch langfristige Auswirkungen und verändern die Umlaufbahnen der planetaren Objekte. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, diese Wechselwirkungen zu verstehen, um den Ursprung und die Eigenschaften von Exoplaneten und auch unseres eigenen Sonnensystems nachvollziehen zu können. Welche Art von Daten nutzen Sie bei Ihrer Forschung? Meine Forschungsarbeit ist überwiegend theoretisch, und ich verwende Analyse- und Simulationstools, um die Entwicklung von Planetensystemen zu modellieren. Ich nutze dann sowohl aus den Simulationen als auch durch Beobachtungen gewonnene Daten – vor allem die aus der Kepler-Mission zur Erkennung von Planeten, die vor ihrem Mutterstern vorbeiziehen, sowie Daten aus Missionen zur Erforschung des Sonnensystems und dessen Monde und auch Daten von bodengestützten Teleskopen. Sie haben außerdem ein altes Problem gelöst, das die ähnliche Zusammensetzung von Erde und Mond betrifft. Könnten Sie dies näher erläutern? Im vergangenen Jahrhundert wurde viel darüber diskutiert, wie Monde entstehen. Nach der populärsten Theorie der letzten 40 Jahre entstand der Mond bei einer gewaltigen Kollision eines marsähnlichen Objekts mit der frühen Erde. Mit diesen Modellen konnten die meisten Eigenschaften des Mondes und seines Verhältnisses zur Erde plausibel erklärt werden. Eine wichtige Frage zur Zusammensetzung beider Himmelskörper blieb jedoch unbeantwortet. Es wurde festgestellt, dass die isotopische Zusammensetzung von Erde und Mond sehr ähnlich ist. Simulationen von gewaltigen Einschlägen ergaben jedoch, dass der größte Teil des Materials, aus dem sich schließlich der Mond bildete, vom einschlagenden Objekt selbst und nicht von der Erde stammen müsste, wie es auch bei anderen planetaren Objekten des Sonnensystems wie dem Mars und dem Asteroiden Vesta der Fall ist. Dieser Widerspruch wurde sogar noch offensichtlicher, als mit verbesserten Messverfahren erneut aufgezeigt wurde, wie ähnlich sich Erde und Mond sind. Während meiner Forschung habe ich einige grundlegende Annahmen in dieser Logik überdacht und mich vor allem gefragt, ob sich die Zusammensetzung von Impaktoren tatsächlich so stark von denen der Planeten eines Sonnensystems unterscheiden muss. Wir nutzen Daten aus Dutzenden umfassenden Simulationen zu sonnensystemähnlichen Formationen und untersuchten die Zusammensetzungen der Planeten und die von erdähnlichen Impaktoren. Wir stellten fest, dass Planeten zwar unterschiedlich zusammengesetzt sind, die Zusammensetzung von Impaktoren kurz vor dem Einschlag dem getroffenen Planeten jedoch sehr viel ähnlicher war. Bei einem nicht zu vernachlässigenden Anteil aller Fälle stellten wir darüber hinaus fest, dass zwischen dem erwarten mondartigen Objekt und dem Planeten, auf dem es einschlug, hinsichtlich der Zusammensetzung ähnlich viele Parallelen ergeben wie zwischen Erde und Mond. Wir konnten also belegen, dass das 40 Jahre alte Problem mit der ähnlichen Zusammensetzung von Erde und Mond möglicherweise gar kein Problem ist und in der Hypothese zur Entstehung des Mondes keinen Widerspruch bedeutet. Wie könnte Ihre Erforschung der Anordnung von Planeten in exosolaren Planetensystemen zukünftige theoretische Vorhersagen unterstützen? In einem der Projekte, an denen ich beteiligt bin, untersuchen wir, in welcher Reihenfolge die Planeten in exosolaren Planetensystemen angeordnet sind. Wenn ein System z. B. über drei unterschiedlich große Planeten verfügt, bestehen insgesamt sechs Möglichkeiten, wie diese angeordnet sein könnten. Diese Anordnung ergibt sich – ähnlich wie auch andere Eigenschaften wie die elliptische Form der Umlaufbahn oder ihre Größe – aus komplexen Entwicklungsvorgängen. Anhand der Umlaufbahn können auch die Prozesse näher bestimmt werden, die bei der Entstehung dieser Planeten abliefen. Daher werden sie intensiv erforscht. Mit meiner Forschung möchte ich darauf aufmerksam machen, dass die Anordnung der Planeten ein weiterer wichtiger Faktor ist, der bis heute kaum berücksichtigt wurde, jedoch mindestens genauso viel Aufschluss als die anderen, deutlich intensiver untersuchten Eigenschaften liefern kann. Unsere vorläufigen Ergebnisse belegen, dass die Reihenfolge der Planeten nicht unbedeutend ist und im Widerspruch zu vielen der aktuellen Vorhersagen steht – daher widersprechen sie auf neue Weise den Theorien zur Entstehung von Exoplaneten. Was sind abgesehen davon die wichtigsten Erkenntnisse aus Ihrer Forschung, die sie bis heute gewinnen konnten? Unter anderem habe ich ein völlig neues Verfahren zur Analyse der Daten aus der Kepler-Mission entwickelt, um die Neigung der Umlaufbahnen von Exoplaneten relativ zu ihrem Mutterstern zu bestimmen. Dies könnte wesentlich dazu beitragen, die Entwicklung dieser Planeten nachzuvollziehen. Mit diesem neuen Verfahren wurden erstmals im großen Stil statistische Eigenschaften zur Neigung von Planeten und dem Zusammenhang mit ihrer Größe, der Entfernung zum Mutterstern und ihrer Anzahl erhoben, was mit den herkömmlichen Verfahren bisher nicht möglich war. Das Projekt endet im Februar 2017. Welche Auswirkungen erhoffen Sie sich mit dem Erreichen aller Projektziele? Ich hoffe, dass wir durch das Projekt noch mehr über Multiplanetensysteme erfahren werden und diese in Zukunft auch besser erforschen werden können. So könnten wir auch die Eigenschaften verschiedener Planeten im selben System besser in Zusammenhang bringen. Dies wurde bisher kaum erforscht. Zudem möchte ich unser Verständnis von Satellitensystemen sowie ihrer Entstehung und Dynamik verändern. Dies bezieht sich sowohl auf das System von Erde und Mond, das ich noch weiter erforschen werde, als auch auf andere Monde unseres Sonnensystems. GRAND Gefördert unter FP7-PEOPLE CORDIS-Projektseite
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