Seminararbeit der Oberstufe
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Seminararbeit der Oberstufe Abiturjahrgang 2010/2012 Kurs: W05Ph Kursleiter: Frau Honal Verfasser: Katrin Schicker Thema: Abgabetermin: Das Planetensystem Ypsilon Andromedae 08.11.2011 Note: ________________________ Punkte: ________________________ Dem Direktorat vorgelegt am: ________________________ Punkte eingetragen am: ________________________ Unterschrift des Kursleiters: ________________________ Katrin Schicker Das Planetensystem Ypsilon Andromedae Das Planetensystem Ypsilon Andromedae 1. Betrachtung eines Planetensystems 3 2. Das Planetensystem Ypsilon Andromedae 4 2.1 Charakterisierung des Ypsilon Andromedae-Systems 4 2.1.1 Definition Planetensystem 4 2.1.2 Das Ypsilon Andromedae-System 5 2.1.3 Lage 5 2.2 Entdeckungsgeschichte 8 2.3 Elemente des Systems 9 2.3.1 Sterne 9 2.3.1.1 Ypsilon Andromedae A 9 2.3.1.2 Ypsilon Andromedae B 11 2.3.2 Planeten 13 2.3.2.1 Typifizierung der Planetenumlaufbahnen 13 2.3.2.2 Ypsilon Andromedae d 13 2.3.2.3 Ypsilon Andromedae c 14 2.3.2.4 Ypsilon Andromedae b 14 2.4 Am Rande des Chaos 16 3. Komplexität der Astronomie 19 4. Literaturverzeichnis 20 4.1 Zeitschriften / Bücher 20 4.2 Internetadressen 20 5. Abbildungsverzeichnis 23 6. Eidesstattliche Erklärung 25 1. Betrachtung eines Planetensystems Über die uralte und stets wiederkehrende Frage nach außerirdischem Leben auf fremden Planeten zerbrachen sich schon viele Menschen den Kopf. Die vielen Science-Fiction-Serien, insbesondere die Entdeckungsreisen des Raumschiffs ,,Enterprise“, die seit 1966 Millionen von Zuschauern fesseln, greifen diese auf. Die berühmten Anfangsworte: ,,Der Weltraum, unendliche Weiten […], dies sind die Abenteuer des […] Raumschiffs Enterprise, das viele Lichtjahre von der Erde entfernt unterwegs ist um fremde Welten zu entdecken, unbekannte Lebensformen und fremde Zivilisationen.“1 hat wohl jeder schon einmal gehört. Doch ist dieses Vorhaben realistisch? Die naheliegendste Idee ist, nach einem System zu suchen, das dem unseren ähnlich ist und somit die Voraussetzungen für ein Leben nach unseren Vorstellungen und Kenntnissen bietet. In diesem Zusammenhang wurde meine Aufmerksamkeit auf das Ypsilon Andromeda-System gelenkt, das noch vor 10 Jahren ,,als beste extrasolare Entsprechung zu unserem Sonnensystem“2 galt, wie es der Astronom F. Freistetter 2010 formulierte. Es ist eines der meist untersuchten Exoplanetensysteme 3 und mit dieser Arbeit will ich die bisherigen Erkenntnisse zusammenfassen. 1 http://www.startrekfans.de/star-trek-fans/the-next-generation-intro-german/ http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/05/wer-hat-am-planetensystem-von-upsilonandromedae-herumgespielt.php 3 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 2 3 2. Das Planetensystem Ypsilon Andromedae 2.1 Charakterisierung des Ypsilon Andromedae-Systems 2.1.1 Definition Planetensystem Materie im Weltall ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern bildet Galaxien und Sternhaufen. Diese wiederum gliedern sich unter anderem in Planetensysteme. Doch was ist das? Ein Planetensystem besteht aus mindestens einem Zentralgestirn, um welches Planeten und weitere Satelliten, durch Gravitation gebunden, kreisen. 4 In unserem Planetensystem ist dieses Zentralgestirn die Sonne. Es ist jedoch auch möglich, dass zwei Zentralgestirne vorhanden sind, wie in dem System Ypsilon Andromedae, welches hier noch genauer erläutert werden wird. Forscher fanden sogar Hinweise, dass Planetensysteme mit drei Sternen existieren könnten. Proxima Centauri beispielsweise, der sonnennächste Stern, sei ,,‘mit sehr, sehr hoher Wahrscheinlichkeit‘ durch die Schwerkraft an die beiden Sterne von Alpha Centauri gebunden“ 5, wie die beiden Forscher Jeremy Wertheimer und Gregory Laughlin von der University of California herausfanden. Die Kraft, die zur Anhäufung von Materie im Weltraum führt, ist die Gravitation oder Schwerkraft. Sie ist eine der vier 6 Grundkräfte der Physik und bedingt, dass sich schwere Massen gegenseitig anziehen. Es ist die Kraft, die Planeten auf ihren Bahnen um das Zentralgestirn hält. Jedoch ist ,,das Wesen der Gravitation […] bis heute noch nicht endgültig geklärt“.7 Die ersten exosolaren Planeten und damit das erste fremde Planetensystem wurden erst im Jahr 1994, zwei Jahre nach ihrem Fund, bewiesen. Sie kreisen um den Stern PSR 1257+12. 8 Seitdem wurden laufend weitere Planetensysteme neben unserem Sonnensystem entdeckt. Eines dieser Planetensysteme ist das 1999 entdeckte um den Stern Ypsilon Andromedae A. 4 http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Planetary+system ASTRONOMIE HEUTE, Juli / August (2007), S. 48 6 Neuste Forschungsergebnisse deuten eventuell sogar auf eine fünfte Grundkraft hin. http://www.sueddeutsche.de/wissen/kernphysik-eine-sensation-in-spe-1.1082819 7 http://www.wissen.de/wde/generator/wissen/ressorts/technik/index,page=1113510.html 8 https://www.ads.tuwien.ac.at/publications/bib/pdf/chwatal_06.pdf, S.1 5 4 2.1.2 Das Ypsilon Andromedae-System Wie bereits erwähnt, ist dieses Planetensystem ein Doppelsternsystem. Die leuchtstärkere Komponente ist ein weißlich-gelber Fixstern namens Ypsilon Andromedae A (ʋ And A), sein Begleiter ist ein roter Zwerg (Ypsilon Andromedae B). Ypsilon Andromedae A wird von drei riesigen Gasplaneten umkreist. ,,Zudem fanden die Forscher Hinweise darauf, dass ein vierter Planet den Stern umrundet.“9,10 Die Umlaufbahnen der Planeten sind sehr exzentrisch. Darauf wird später in dieser Arbeit aber noch genauer eingegangen. Da erst nach der Namensgebung beobachtet wurde, dass es sich um ein Doppelsternsystem handelt, sind das System, die Planeten und der zweite Stern nun nach dem größeren der beiden Sterne benannt. Ypsilon Andromedae A gilt als der erste bekannte sonnenähnliche Stern (Hauptreihenstern; vergleiche 2.3.1.1) mit einem Mehrplanetensystem. 11 Dieses wird hauptsächlich mit dem Hubble Space Telescope (Hubble-Weltraumteleskop) beobachtet, ferner mit erdgebundenen Teleskopen.9 Um Daten über die Sterne und Planeten in astronomischen Tabellen nachzulesen, muss man sich bewusst sein, dass diese dort meistens nur mit Nummern abgekürzt werden. Beispielsweise lässt sich der Fixstern Ypsilon Andromeda im Hipparcos-Katalog, wo präzise Daten des Satelliten Hipparcos stehen, unter HIP 7513 finden. 12 2.1.3 Lage Das Planetensystem Ypsilon Andromedae befindet sich in einer Entfernung von 44 Lichtjahren zur Sonne. Seine Koordinaten betragen RA: 1h 36 min 48 s und Dekl.: +41° 24‘ 20‘‘. 13 RA steht für die Rektaszension (α), also den Winkel zwischen dem Frühlingspunkt (Schnittpunkt von Himmelsäquator und Ekliptik) und dem Punkt des Himmelsäquators, an welchem das System, senkrecht zum Himmeläquator verschoben, diesen schneidet. Der Winkel ist in h, min und sec eingeteilt und wird dementsprechend angegeben. 9 https://www.spektrumdirekt.de/artikel/1034364&_z=798889 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1216 11 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 12 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1204 13 http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-5?-out.add=.&-source=I/311/hip2&HIP=7513 10 5 Dekl. ist die Abkürzung für Deklination (δ). Diese bezeichnet den Winkel, um den entlang des Stundenkreises (Kreis, welcher durch das System, sowie Himmelsnord- und Südpol geht)14 verschoben werden muss, bis der Himmelsäquator erreicht ist, um die Rektaszension zu bestimmen. Stundenkreis Abbildung 1: Himmelskoordinaten am Himmelsäquator Abbildung 2: Himmelkoordinaten vom Beobachter aus Ypsilon Andromedae befindet sich im Sternbild Andromeda, welches in unseren Breiten von Juni bis Januar sichtbar ist.15 Die Andromeda besteht aus vier Sternen (Sirrah, δ, Mirach und Almach). Man findet das Sternbild, in dem man das Quadrat des Pegasus (Sirrah ist in beiden Sternbildern vorhanden) in Richtung Perseus und Cassiopeia verlängert. Abbildung 3: Sternbild Andromeda 14 15 http://wiki.astro.com/astrowiki/de/Stundenkreis http://www.cfa.harvard.edu/afoe/And.html 6 Abbildung 4: Ypsilon Andromedae am Nachthimmel Abbildung 4 zeigt den Blick in den Nachthimmel an einen frühen Novemberabend in unseren Breiten. Das Planetensystem, hier abgekürzt mit Ypsilon And, lässt sich etwas westlich der Verbindungslinie der zwei nördlichen Sterne Mirach und Almach finden. (vergleiche Abb. 3) Außerdem fällt einem auf dem Bild der Andromedanebel M31 ins Auge. Dieser befindet sich etwas westlich des Systems innerhalb des Sternbildes. Der Andromedanebel ist eine Spiralgalaxie, die nähste Galaxie zur Milchstraße (also unserer Galaxie). Im Vergleich zum Sternbild und Ypsilon Andromedae, welche sich in unserer Galaxie befinden, ist er viel weiter entfernt, circa 2,2 · 106LJ.16 16 http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/physik/513 7 Hier kann man gut sehen, dass eine scheinbare Zusammengehörigkeit auf Grund der Sicht von der Erde und der Namensgebung nichts über eine tatsächliche astronomische Zusammengehörigkeit aussagt. 2.2 Entdeckungsgeschichte Es ist noch nicht lange her, seitdem man entdeckte, dass Ypsilon Andromedae von exosolaren Planeten umlaufen wird. 1996 fanden Paul Buttler und Geoff Marcy aufgrund hochpräzisierter Radialgeschwindigkeitsmessungen Hinweise auf Planeten. 17 Wegen der gegenseitigen Anziehung durch die Gravitation wird ein Stern, wenn er von einem Planeten umrundet wird, immer etwas hin- und hergezogen. Der sogenannte Doppler-Effekt, das heißt die Veränderung der Frequenz beim sich aufeinander zu / voneinander weg Bewegen von Signalsender und –empfänger, bewirkt eine relative Änderung im Spektrum des Sterns (abwechselnde Rot- und Blauverschiebung).18 Diese relative Änderung ist vergleichbar mit den sich deutlich ändernden Geräuschen eines Martinshorns, wenn ein Krankenwagen an einem vorbei fährt. Diese Änderungen werden bei der Radialgeschwindigkeitsmessung gemessen. 1999 wurde diese Entdeckung sowie die zweier weiterer Planeten um Ypsilon Andromedae von Wissenschaftlern des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Massachusetts bestätigt. Diese ,,sensationelle Entdeckung“ führte zu ,,große[m] Aufruhr“ und wurde sogar als die ,,bedeutendste astronomische Entdeckung der letzten Jahrzehnte“ 17 gehandhabt. Keine der damals bekannten Theorien konnte die Entstehung von solch gewaltigen Planeten erklären. Die Astronomen hielten sogar Leben auf den Planeten für möglich. 17 2002 wurde erkannt, dass es sich bei dem Planetensystem eigentlich um ein Doppelsternsystem handelt.19 Schon früh wurde die hohe Exzentrizität der Planetenbahnen (Planeten bewegen sich auf einer stark ellipsenförmigen, statt runden Bahn) bemerkt. Die Masse der Planeten und die Neigung der Bahnebenen blieb jedoch noch etliche Zeit ein Rätsel für die Wissenschaftler. Es wurde versucht, anhand der Daten der Radialgeschwindigkeitsmessungen Mindestmassen der Planeten zu berechnen. Dabei wurden jedoch Grundvoraussetzungen angenommen, die sich 17 http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/160594.html http://www.avgoe.de/StarChild/DOCS/STARCH00/questions/question10.html 19 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1211 18 8 als falsch herausstellten, beispielsweise Planetenumlaufbahnen (Orbits), die in der nahezu gleichen Ebene liegen. Bereits im Jahr 2000 veröffentlichten E.J. Rivera und J.J. Lissauer, dass diese Massen viel zu klein seien.20 Diese Aussage wurde auf Grund der Beobachtungen mit dem Teleskop Hubble von 2001 bis 2006 bestätigt.21 2010 veröffentlichten B. McArthur und ihre Kollegen einen Artikel 22 über ihre Datenanalyse von astrometrischen Daten und spektroskopischen Messungen aus den letzten 14 Jahren. Daraus ergab sich, dass die Massen der Planeten erneut angepasst werden mussten und sich als wesentliche neue Erkenntnis zeigte, dass, entgegen früherer Annahmen, der Planet Ypsilon Andromedae c schwerer ist als d. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Stabilitätsdiskussionen des Systems. McArthur schrieb: ,,Our astrometric measurements have shown that it is planet c […] that is likely the more massive planet […] thus altering the foundation for the theories used to explain the system”.23 Außerdem erkannten sie die große Inklination, das heißt den großen Neigungswinkel zwischen den Bahnebenen der Planeten Ypsilon Andromedae d und c. Somit gelang es ,,die genaue Architektur des YpsilonAndromedae-Systems zu entschlüsseln“21. Die Daten gaben desweiteren Hinweise auf einen vierten Planeten. 2.3 Elemente des Systems 2.3.1 Sterne 2.3.1.1 Ypsilon Andromedae A Ypsilon Andromedae A ist der größere und leuchtkräftigere der beiden Sterne. Die Entfernung zur Erde beträgt 13,6 pc.20 Nach J. Kummer wiegt er 1,2 Sonnenmassen24 (1,2 * 1,98x1030 kg = 2,4x1030 kg) 25. Diese Angabe ist aber anscheinend nicht genau bestimmt, denn in einer anderen Quelle ist beispielsweise von 1,18 bis 1,38 Sonnenmassen die Rede. 26 Die Angaben unterscheiden sich von Quelle zu Quelle und jüngere Daten bringen Veränderungen mit sich und bezeugen damit die Abhängigkeit der Ergebnisse von der Messmethode beziehungsweise von der 20 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1203 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 22 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1203-1220 23 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1219 24 Kummer, J., Besondere Sterne: Astronomische Kuriositäten, Norderstedt 2006, S.52 25 http://www.leifiphysik.de/web_ph11/grundwissen/10_daten/daten.htm 26 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1205, Table 2 21 9 Interpretation. Der Radius des Sterns beträgt um die 1,6 Sonnenradien (1,6 * 6,96x105 km = 1,1x106 km, also etwas mehr als eine Million Kilometer).27 Seine scheinbare Helligkeit, das heißt, wie hell uns der Stern von der Erde aus erscheint, ist 4,10 mag28 und er hat die 3,650-fache Leuchtkraft der Sonne. 29 Wenn das Licht eines Sterns mithilfe eines Prismas zerlegt wird, entsteht ein für den Stern charakteristisches Spektrum. Im kontinuierlichen Spektrum entstehen schwarze Linien, sogenannte Absorptionslinien, an den Stellen, an denen das Licht von den Gasen des Sterns absorbiert wird. Somit können Aussagen über die den Stern umgebenden Gase und die Temperatur getroffen werden. Die Klassifikation des Sterns Ypsilon Andromedae A ist F8 V.30 Bei Sternen dieser Art kommen das Element Calcium (Ca II) und andere Metalle vor. Die Temperatur eines Sterns dieser Spektralklasse liegt zwischen 6000 und 7400 K. 31 Die Temperaturangaben von Ypsilon Andromedae A variieren in verschiedenen Quellen zwischen 6027 bis 6334 K 32, sie liegen aber alle genau in dem Bereich des Typs F. Außerdem bedeutet F, dass zugehörige Sterne weiß-gelb sind. Die Ziffer 8 ist eine genauere Unterteilung der Klasse F. Abbildung 5: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps F Anhand des Spektraltyps und der absoluten Helligkeit kann ein Stern im Hertzsprung-RussellDiagramm einsortiert werden. Dort liegt Ypsilon Andromedae A auf der mittleren Diagonalen, der Hauptreihe, auf der sich die Mehrheit aller Sterne befindet. Deshalb steht hinter der Bezeichnung des Spektraltyps die Leuchtkraftklasse V. Hauptreihensterne werden auch als Zwerge bezeichnet. Trotzdem können sie ganz unterschiedliche Größen haben. 27 http://www.leifiphysik.de/web_ph11/grundwissen/10_daten/daten.htm http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-5?-out.add=.&-source=I/239/hip_main&HIP=7513 29 Kummer, Besondere Sterne, S.52 30 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 31 http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Spektralklasse.html 32 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1205, Table 1 28 10 Abbildung 6: Hertzsprung-Russell-Diagramm Auch die Sonne gehört zu den Hauptreihensternen. 33 Sie ist mit 4,6 Milliarden Jahren deutlich älter als der Stern Ypsilon Andromedae A, für welchen etwa 3 Milliarden Jahre angegeben werden. 34 2.3.1.2 Ypsilon Andromedae B Ypsilon Andromedae B ist der Begleitstern von Ypsilon Andromedae A in einer Entfernung von mindestens 750 AE.35 Für eine Umrundung benötigt er 20000 Jahre. 36 Diese Aussage, die 2002 von P. Lowrance und seinen Kollegen getroffen wurde, wurde oft diskutiert. An diesem Stern ist die Schwierigkeit von astronomischen Messungen und der Interpretation dieser Daten deutlich sichtbar. So wurde das Doppelsternsystem noch im selben Jahr angezweifelt und Ypsilon Andromedae B nur als Hintergrundobjekt bezeichnet. 2004 33 http://www.planeten.ch/Hauptreihenstern THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1203 35 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 36 Kummer, Besondere Sterne, S.52 34 11 jedoch wurde das System in der Studie von A. Eggenberger und Kollegen über Mehrsternsysteme mitbetrachtet. Zwei Jahre später wiederum erklärten D. Raghavan und seine Kollegen, dass Ypsilon Andromedae A und B gravitativ nicht gebunden seien. Der aktuelle Stand nach B. McArthur und Kollegen, im bereits erwähnten Artikel des Astrophysical Journals erneut berechnet, geht von einer gravitativen Zusammengehörigkeit aus.37 Die Klassifikation von Ypsilon Andromedae B ist M4,5 V.38 Das bedeutet, dass in der Atmosphäre des Sterns viel Titanoxid vorkommt und die Temperatur zwischen 2000 und 3500 K liegt.39 Abbildung 7: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps M Ypsilon Andromedae B ist den Roten Zwergen zuzuordnen, dem häufigsten Sterntyp im Universum. Rote Zwerge sind Hauptreihensterne, deshalb auch wieder die Bezeichnung V. Die rote Farbe kommt aufgrund der relativ niedrigen Temperatur zustande. Sterne dieses Typs leben sehr lange. Sie sind die kleinsten aktiven Sterne. Wegen ihrer kleinen Größe sind sie jedoch nur mit Teleskopen beobachtbar. 40 Dies gilt auch für Ypsilon Andromedae B. Seine scheinbare Helligkeit ist 13,8 mag. 41 Sterne sind mit bloßem Auge jedoch nur bis zu einer Helligkeit von 6 mag sichtbar. Die Masse des Roten Zwergs beträgt 0,2 Sonnenmassen38 (0,2 * 1,98x1030 kg = 4,0x1029 kg). Insgesamt ist der Stern noch ziemlich unerforscht und es gibt noch viele nicht geklärte Details. So erklärte F. Benedict vom McDonald Observatory im Juni 2010: ,,Wir wissen nichts über seinen Orbit". 42 Dementsprechend unbekannt sind auch noch seine Auswirkungen auf die Planeten, die eigentlich nur den großen Stern Ypsilon Andromedae A umrunden. 37 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1211 Kummer, Besondere Sterne, S.52 39 http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Spektralklasse.html 40 Kummer, Besondere Sterne, S.13 41 THE ASTROPHISICAL JOURNAL 715 (2010), S.1210 42 http://www.astronews.com/news/artikel/2010/06/1006-001.shtml 38 12 2.3.2 Planeten 2.3.2.1 Typifizierung der Planetenumlaufbahnen Planeten in Doppelsternsystemen können ihre Sterne auf unterschiedliche Arten umrunden. Diese werden in zwei Typen unterteilt. Beim P-Typ bilden die zwei Sterne das Zentrum und werden von den Planeten umrundet, als wären sie nur ein Stern. Beim S-Typ hingegen wird nur einer der beiden Sterne umrundet. Der zweite Stern ist lediglich gravitativ gebunden, hat aber Auswirkungen auf die Ellipsenform der Umlaufbahnen. So herrscht in Systemen des STyps in der Regel eine größere Exzentrizität. 43 Das Ypsilon Andromedae-System ist, wie bereits beschrieben, ein Beispiel für diesen Typ, da nur der Hauptstern Ypsilon Andromedae A von den Planeten umkreist wird. 2.3.2.2 Ypsilon Andromedae d Der Planet, der (von den bisher bekannten) am weitesten vom Zentralstern Ypsilon Andromedae A entfernt ist, wird Ypsilon Andromedae d genannt. Die Entfernung zwischen den beiden Himmelskörpern beträgt ca. 2,55 AE. Der Planet braucht 1302,61 Tage (das sind etwas mehr als 3 ½ Erdjahre) für eine Umrundung.44 Die Umlaufbahn weist eine Exzentrizität in dem Bereich 0,27 bis 0,32 auf. 45 Das bedeutet, dass die Bahn keine exakte Kreisform aufweist, sondern elliptisch ist. Je höher der Wert, desto langgestreckter ist die Ellipse. Ypsilon Andromedae d hat eine Masse von ca. 10,19 Jupitermassen (10,19 * 1,8986x10 26 kg = 1,935x1027 kg)46.47 Hier stellt sich jedoch die Frage, wie richtig diese Angaben sind beziehungsweise welche Veränderungen sich noch bei weiteren Messungen ergeben könnten, denn noch vor ein paar Jahren hieß es zum Beispiel, die Masse des Planeten betrage nur 4,7 Jupitermassen.44 Auf Grund seiner hohen Masse wird angenommen, dass es sich um einen Gasplaneten oder jovianischen Planeten handelt. 48 Im Vergleich zu erdähnlichen Felsplaneten besitzen diese keine feste Oberfläche, manche haben aber einen festen Kern aus Gestein. In einem Gasplanet 43 Proceedings of the First European Workshop on Exo-Astrobiology 16 – 19 September (2002), S. 547 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=d 45 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1216 46 http://www.planeten.ch/Jupitermasse 47 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1217, Table 16 48 http://de.inforapid.org/index.php5?search=Ypsilon%20Andromedae%20d 44 13 herrscht so hoher Druck, dass die Gase (Wasserstoff, Helium, teilweise auch Ammoniak und Methan) größtenteils flüssig vorliegen. 49 Im europäischen Planetenregister ,,Enzyklopädie der extrasolaren Planeten“ steht jedoch unter Ypsilon Andromedae d lediglich ,,No molecule detected“50, so dass nur Vermutungen angestellt werden können, dass die Zusammensetzung des Planeten denen anderer Gasriesen entspricht. Genaueres ist noch nicht bekannt. 2.3.2.3 Ypsilon Andromedae c Ypsilon Andromedae c ist der dem Stern Ypsilon Andromedae A am zweit-nächsten gelegene Planet. Die Entfernung sind 0,861 AE. Für eine Umrundung braucht der Planet 237,7 Tage. 51 Seine Exzentrizität beträgt 0,239 und er wiegt 14,57 Jupitermassen (14,57 * 1,8986x10 26 kg = 2,766x1027 kg).52 Auf Grund der hohen Masse wird auch bei diesem Planeten vermutet, dass es sich um einen Gasplaneten handelt. 53 Die Forschung hierzu hat jedoch, wie auch bei Ypsilon Andromedae d, noch keine genauen Ergebnisse geliefert. So taucht auch bei diesem Planeten im europäischen Planetenregister der Satz ,,No molecule detected“51 auf. 2.3.2.4 Ypsilon Andromedae b Der dritte bewiesene Planet um Ypsilon Andromedae A, dem Stern am nächsten, ist Ypsilon Andromedae b. Die Entfernung von 0,059AE (weniger als 9 Mio. km) ist äußerst gering.54 Zum Vergleich: der Abstand zwischen Sonne und Merkur sind ca. 58 Mio. km. 55 So braucht Ypsilon Andromedae b für eine Umrundung nur 4,617136 Tage.54 Die Exzentrizität seiner Umlaufbahn beträgt 0,01.52 Die Masse kann wegen seiner Nähe zum Stern nicht genau bestimmt werden, jedoch wird auf Grund der Radialgeschwindigkeitsmethode 49 mit mindestens 0,7 http://www.planeten.ch/Gasriese http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=d 51 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=c 52 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1217, Table 16 53 http://de.inforapid.org/index.php5?search=Ypsilon%20Andromedae%20c 54 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=b 55 http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Exoplanet__Heisser_Fleck_an_falscher_Stelle 1771015587175.html 50 14 Jupitermassen (0,7 * 1,8986x1026 kg = 1,3x1026 kg) gerechnet.56 Eine andere Messmethode, die dynamische Analyse, ergibt als mittlere Masse 1,7 Jupitermassen (1,7 * 1,8986x10 26 kg = 3,2x1026 kg).57 Der Planet rotiert, ähnlich wie unser Mond, innerhalb einer Sternumrundung genau einmal um seine eigene Achse, so dass er dem Stern immer dieselbe Seite zuweist. So gibt es eine Tagund eine Nachtseite mit sehr unterschiedlichen Bedingungen. Bei diesem Planeten handelt es sich um einen heißen Jupiter. Das ist ein jupiterähnlicher Gasplanet, meist aus Gasen wie Wasser, Methan, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Ob dies auch bei Ypsilon Andromedae b so ist bleibt fraglich, da auch bei diesem Planeten im europäischen Planetenregister ,,No molecule detected“58 steht. Wegen ihrer geringen Entfernung zum Stern weisen heiße Jupiter eine sehr hohe Temperatur auf.59 Die Tagseite von Ypsilon Andromedae b ist 1400 – 1650°C heiß, die Nachtseite jedoch nur -20 – 230°C kalt.60 Der heißeste Fleck, der sogenannte ,,Hot Spot“, befindet sich aber nicht an dem dem Stern am nächsten gelegenen Punkt, sondern ist um 80° verschoben. Schon früher wurden leichte Verschiebungen der Temperaturmaxima auf heißen Jupitern beobachtet, die jedoch ,,bei Weitem nicht so groß wie auf Ypsilon Andromedae b“59 waren. Abbildung 8: heißer Fleck an falscher Stelle Die Erklärungen sind bis jetzt nur Spekulationen. Die erste Theorie meint, dass durch überschallschnelle Winde Stoßwellen auf der Oberfläche ausgelöst werden könnten, die diese aufheizen.59 Durch diese Theorie werden kleinere Verschiebungen der Temperaturmaxima 56 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1216 58 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=b 59 http://www.astronomie-heute.de/artikel/1052125&_z=798889 60 http://www.netzeitung.de/spezial/weltraum/446150.html 57 15 auf anderen heißen Jupitern erklärt. Forscher befürchten jedoch, dass die Abweichung zu groß dafür sei. Eine andere Theorie besagt, dass die Verschiebung durch magnetische Prozesse zwischen Stern und Planet zustande kommt. Hier zeigt sich ein weiterer Punkt, welches das Ypsilon Andromedae-System für Wissenschaftler so interessant macht, nämlich dass herkömmliche Theorien erweitert oder neue gefunden werden müssen. So betont I. Crossfield von der University of California: ,,Es ist klar, dass wir noch viel weniger über die energetischen Verhältnisse in den Atmosphären heißer Jupiter verstehen, als wir bislang gedacht haben.“61 2.4 Am Rande des Chaos Abbildung 9: Vergleich der Planetenumlaufbahnen 61 http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Exoplanet__Heisser_Fleck_an_falscher_Stelle 1771015587175.html 16 Vergleicht man die Planetenbahnen des Ypsilon Andromedae-Systems mit denen unseres Sonnensystems, so fällt sofort die unterschiedliche Neigung der Bahnen zueinander auf. Während die Bahnen in unserem Sonnensystem nahezu koplanar verlaufen, mit der maximalen Abweichung von 7° (Merkurbahn gegen Ekliptik), beträgt die Inklination von Ypsilon Andromedae d gegen Ypsilon Andromedae c 30°. Hinsichtlich der herkömmlichen Annahme, dass Planetensysteme nach ihrer Entstehung beinahe koplanar bleiben, war dies eine sehr überraschende Entdeckung. 62 Diese Abweichung von der erwarteten Norm führte zu der Aussage: ,,Ypsilon Andromedae, ein chaotisches Planetensystem“ 63. Die Planeten ziehen sich bei 30° gegenseitig so stark an, dass sie kurz davor sind, sich gegenseitig aus dem System zu werfen und stehen damit ,,an der Grenze zwischen Stabilität und Chaos“63.64 Ein weiterer Aspekt, der die Frage nach der Stabilität aufwirft, ist die große Exzentrizität von Ypsilon Andromedae d. Über die Entstehung der unerwarteten Planetenbahnen gibt es verschiedene Theorien. Zum Ersten könnten diese durch Wechselwirkungen zwischen den Planeten während einer planetaren Migration entstanden sein. Eine weitere Möglichkeit ist ein äußerer Einfluss. Derzeit ist Ypsilon Andromedae B zwar zu weit entfernt für einen derartigen Einfluss auf das innere Planetensystem, jedoch besteht die Möglichkeit, dass der Stern ebenfalls eine sehr exzentrische Umlaufbahn hat, so dass er den Planeten zeitweise nahe genug kommen würde. Seitdem die Massenverhältnisse der Planeten neu berechnet wurden, mit einem deutlich anderen Ergebnis als davor angenommen (Ypsilon Andromedae c ist schwerer als Ypsilon Andromedae d, vergleiche Kapitel 2.2), wird jedoch eine externe Störquelle nicht mehr als nötig, aber trotzdem für möglich, gehalten, um die hohe Exzentrizität und Inklination von Ypsilon Andromedae d zu erklären.62 Außerdem hätten gravitative Wechselwirkungen zum Herausschleudern von einem der Planeten führen können. Die dynamische Analyse lässt vermuten, dass dadurch die Bahnneigungen zu erklären sind. Weshalb jedoch ein Planet hinausgeschleudert worden sein könnte, ist unklar. ,,Wahrscheinlich ist Ypsilon Andromedae ähnlich entstanden wie unser Sonnensystem, doch die Endphase könnte etwas anders verlaufen sein, was die beobachteten Unterschiede erklärt“ (B. McArthur)65. Der Astronom G. Wuchterl schlägt hingegen vor, die Entwicklung eines 62 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.29 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 64 https://www.spektrumdirekt.de/artikel/1034364&_z=798889 65 http://www.astronews.com/news/artikel/2010/06/1006-001p.html 63 17 Planetensystems als Erosionsprozess zu verstehen. Im Laufe der Zeit schwemmen planetare Wechselwirkungen Körper ohne festen Platz aus und so wird das System mit zunehmendem Alter zunehmend stabiler. Vielleicht ist unser System nur so (relativ) stabil, da es schon älter ist. Dafür spricht auch, dass viele der bisher untersuchten Exoplanetensysteme an der Grenze zum Chaos liegen, wenn auch das Ypsilon Andromedae-System ein ,,extremes Beispiel“ dafür ist.66 66 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.29 18 3. Komplexität der Astronomie Die Erforschung des Ypsilon Andromedae-Systems zeigt deutlich, wie es von den Anfängen einer Entdeckung über die ersten Messungen langsam zu der Entstehung eines differenzierten Bildes kommt. Es zeigt auch, dass Messmethoden und erhobene Daten stets kritisch betrachtet und hinterfragt werden müssen, wenn schon solche einfachen Grundannahmen, wie das Verhältnis der Planetenmassen, durch neuere Messungen in Frage gestellt werden müssen. So ist es fraglich, ob die in meiner Arbeit zusammengefassten Daten in 10 Jahren noch ihre Gültigkeit haben werden. Denn je weiter das Wissen voranschreitet, desto mehr Fakten müssen berücksichtigt werden, um ein in sich schlüssiges Bild der Realität zu zeichnen und desto komplexer wird die Astronomie. Bezüglich der Idee nach einem System zu suchen, das dem unseren ähnlich ist, musste ich feststellen, dass das Ypsilon Andromedae-System sehr viele Unterschiede aufweist. Grundvoraussetzungen, die in unserem Sonnensystem als selbstverständlich angenommen werden, müssen nicht unbedingt auch in anderen Systemen gelten. Und somit kann man wohl sagen, dass unser Sonnensystem nicht das Maß aller Dinge ist. Die eingangs gestellte Frage nach außerirdischem Leben auf dem Ypsilon AndromedaeSystem kann man ziemlich sicher verneinen, da ein Leben nach unseren Vorstellungen schon auf Grund der Temperaturen und mangels fester Oberfläche auf den Planeten nicht möglich ist. Doch wer weiß, welche Überraschungen der Weltraum noch in sich birgt und Leben in uns unbekannter Form kann nie ausgeschlossen werden! 19 4. Literaturverzeichnis 4.1 Zeitschriften / Bücher Bryant, G., Unsere nächsten Nachbarn, in: ASTRONOMIE HEUTE Juli / August (2007), S. 46-48 Dvorak, R. u.a., Stability of Planetary Orbits in Double Stars, in: Proceedings of the First European Workshop on Exo-Astrobiology 16 – 19 September (2002), S. 547-548 Hattenbach, J., Ypsilon Andromedae, ein chaotisches Planetensystem, in: STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S. 28-29 Kummer, J., Besondere Sterne: Astronomische Kuriositäten, Norderstedt 2006 McArthur, B. u.a., New Observational Constraints on the ʋ Andromedae System with Data from the Hubble Space Telescope and Hobby-Eberly Telescope, in: THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S. 1203-1220 4.2 Internetadressen AstroWiki (Hg.), Stundenkreis, in: http://wiki.astro.com/astrowiki/de/Stundenkreis; Zugriff am 18.04.2011 Centre de données astronomiques de Strasbourg (Hg.), HIP=7513, in: http://vizier.ustrasbg.fr/viz-bin/VizieR-5?-out.add=.&-source=I/239/hip_main&HIP=7513; Zugriff am 09.10.2011 Centre de données astronomiques de Strasbourg (Hg.), HIP=7513, in: http://vizier.ustrasbg.fr/viz-bin/VizieR-5?-out.add=.&-source=I/311/hip2&HIP=7513; 18.04.2011 20 Zugriff am Chwatal, A., Bestimmung der Bahnelemente von extrasolaren Planeten aufgrund von Radialgeschwindigkeitsmessdaten mittels evolutionärer Algorithmen, in: https://www.ads. tuwien.ac.at/publications/bib/pdf/chwatal_06.pdf; Zugriff am 17.04.2011 Contos, A., The Constellation Andromeda, in: http://www.cfa.harvard.edu/afoe/And.html; Zugriff am 18.04.2011 Deiters, S., Geneigte Bahnen um Ypsilon Andromedae, in: http://www.astronews. com/news/artikel/2010/06/1006-001.shtml; Zugriff am 01.05.2011 Dejoie, J./ Truelove E., Liebes StarChild, Was kannst Du mir über die neuentdeckten Sonnensysteme sagen?, in: http://www.avgoe.de/StarChild/DOCS/STARCH00/questions/ question10.html; Zugriff am 22.04.2011 Eickemeirer, P., Das Wetter auf <<Ypsilon Andromedae b>>, in: http://www.netzeitung. de/spezial/weltraum/446150.html; Zugriff am 05.09.2011 Elicki, O., Astronomische Entdeckung stellt die Wissenschaft vor Rätsel, in: http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/160594.html; Zugriff am 20.04.2011 Extrasolar Planets Encyclopaedia (Hg.), Planet : Ups And b, in: http://exoplanet. eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=b; Zugriff am 09.10.2011 Extrasolar Planets Encyclopaedia (Hg.), Planet : Ups And c, in: http://exoplanet. eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=c; Zugriff am 29.10.2011 Extrasolar Planets Encyclopaedia (Hg.), Planet : Ups And d, in: http://exoplanet. eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=d; Zugriff am 02.08.2011 Finckh, U./ Leitner E., Astronomische Daten unseres Sonnensystems, in: http://www. leifiphysik.de/web_ph11/grundwissen/10_daten/daten.htm; Zugriff am 09.10.2011 21 Freistetter, F., Wer hat am Planetensystem von Upsilon Andromedae herumgespielt?, in: http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/05/wer-hat-am-planetensystem-vonupsilon-andromedae-herumgespielt.php; Zugriff am 19.04.2011 InfoRapid Wissensportal (Hg.), Ypsilon Andromedae c; in: http://de.inforapid.org/ index.php5?search=Ypsilon%20Andromedae%20c; Zugriff am 29.10.2011 InfoRapid Wissensportal (Hg.), Ypsilon Andromedae d; in: http://de.inforapid.org/ index.php5?search=Ypsilon%20Andromedae%20d; Zugriff am 02.08.2011 Kayser, R., Exoplanet: Heißer Fleck an falscher Stelle, in: http://www.wissenschaftaktuell.de/artikel/Exoplanet__Heisser_Fleck_an_falscher_Stelle1771015587175.html; Zugriff am 09.10.2011 Planeten.ch (Hg.), Gasriese, in: http://www.planeten.ch/Gasriese; Zugriff am 02.08.2011 Planeten.ch (Hg.), Hauptreihenstern, in: http://www.planeten.ch/Hauptreihenstern; Zugriff am 02.10.2011 Planeten.ch (Hg.), Jupitermasse, in: http://www.planeten.ch/Jupitermasse; Zugriff am 02.08.2011 Pollmann, M., Planetenbahnen in Schieflage, in: https://www.spektrumdirekt.de/artikel/ 1034364&_z=798889; Zugriff am 29.10.2011 Schulte von Drach, M., Eine Sensation in spe, in: http://www.sueddeutsche.de/ wissen/kernphysik-eine-sensation-in-spe-1.1082819; Zugriff am 17.04.2011 Star Trek Fans (Hg.), The Next Generation - Intro (german), in: http://www.startrekfans.de/ star-trek-fans/the-next-generation-intro-german/; Zugriff am 02.10.2011 The free dictionary (Hg.), Planetary system, in: http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/ planetary+system; Zugriff am 17.04.2011 22 Uni-Protokolle (Hg.), Spektralklassen, in: http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/ Spektralklasse.html; Zugriff am 24.04.2011 Wissen.de / Technik, Gravitation, in: http://www.wissen.de/wde/generator/wissen/ressorts/ technik/index,page=1113510.html; Zugriff am 17.04.2011 Wissenschaft-online (Hg.), Andromeda-Nebel, in: http://www.wissenschaft-online.de/ abo/lexikon/physik/513; Zugriff am 18.04.2011 Wolfart, B., Ein mysteriöser warmer Fleck auf Exoplanet Ypsilon Andromedae b, in: http://www.astronomie-heute.de/artikel/1052125&_z=798889; Zugriff am 06.09.2011 5. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Himmelskoordinaten am Himmelsäquator: http://www.rainerstumpe.de/ Astro/bilder/rektasz01.jpg; Zugriff vom 29.10.2011 Abbildung 2: Himmelskoordinaten vom Beobachter aus: http://mgf-kulmbach.de/ cms/images/stories/unterrichtsfaecher/physik/hor_9.jpg; Zugriff vom 29.10.2011 Abbildung 3: Sternbild Andromeda: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/d/dc/ Sternbild_andromeda.png; Zugriff vom 29.10.2011 Abbildung 4: Ypsilon Andromedae am Nachthimmel: http://www.volkssternwarte- marburg.de/himmel200411.htm; Zugriff vom 29.10.2011 Abbildung 5: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps F: http://www.sternwarte.unierlangen.de/d_index.html; Zugriff vom 29.10.2011 Abbildung 6: Hertzsprung-Russell-Diagramm: https://lp.uni-goettingen.de/get/image/6148; Zugriff vom 29.10.2011 23 Abbildung 7: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps M: http://www.sternwarte.unierlangen.de/d_index.html; Zugriff vom 29.10.2011 Abbildung 8: heißer Fleck an falscher Stelle: http://www.astronomie-heute.de/ artikel/1052124; Zugriff vom 29.10.2011 Abbildung 9: Vergleich der Planetenumlaufbahnen: https://www.spektrumdirekt.de/ artikel/1034275; Zugriff vom 29.10.2011 Titelbild: http://www.wissenschaft-online.de/sixcms/media.php/912/thumbnails/yps-and-b. jpg.206747.jpg; Zugriff vom 05.11.2011 24 6. Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre, dass ich die Seminararbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benützt habe. .............................................................................., den ................................................. Ort Datum .................................................................... Unterschrift des/der Oberstufenschülers/-schülerin 25
