Neueste Entdeckung: Es gibt im Universum nicht nur „drei Körper“, sondern auch schreckliche „Verschlinger“

In letzter Zeit ist das „Dreikörperproblem“ wieder ein heißes Thema geworden. Als Astronom würde ich mir eine so gute Gelegenheit, die Wissenschaft bekannt zu machen, sicher nicht entgehen lassen. Eigentlich hat mich die Stabilität von Planetensystemen schon immer interessiert.

Im frühen 17. Jahrhundert veröffentlichte Kepler nacheinander seine drei Gesetze und enthüllte damit die Umlaufgesetze der Himmelskörper. Wenn sich jedoch mehrere Objekte im System befinden, kann die Dynamik instabil werden, was dazu führen kann, dass einige Objekte zufällig ausgeworfen werden. Dies ist die astronomische Grundlage der Geschichte „Das Dreikörperproblem“.

Als ich eines Tages zum ersten Mal mit der Astronomie in Berührung kam, kam mir plötzlich ein Gedanke: Könnten ähnliche zufällige Auswürfe auch im Sonnensystem vorkommen, in dem die Menschen leben? Um genauer zu sein: Ist es möglich, dass unser Sonnensystem ursprünglich weit mehr als nur die „acht Planeten“ hatte? Könnte es stattdessen sein, dass einer oder mehrere der frühen Planeten zufällig herausgeschleudert wurden?

Planeten und Zwergplaneten im Sonnensystem. Im Bild ist nur die Größe maßstabsgetreu dargestellt, die Entfernung ist nicht maßstabsgetreu dargestellt (Wikipedia)

Diese Frage beschäftigte mich schon immer und wurde zur Richtung meiner astronomischen Forschung.

Warum zuerst nach Zwillingssternen suchen?

Um dieses Rätsel zu lösen, haben wir eine groß angelegte spektroskopische Untersuchung durchgeführt und dabei nahegelegene Sterne eingehend untersucht. Besonderes Augenmerk legten wir auf 91 Paare eineiiger Zwillingssterne, die gleichzeitig entstanden.

Dies weist einige Ähnlichkeiten mit der Methode auf, die in der Soziologie zur Untersuchung von Zwillingsbrüdern/-schwestern verwendet wird. In Bezug auf die chemische Zusammensetzung sind die Elemente und Proportionen eines Zwillingspaares ungefähr gleich. Wenn es Unterschiede zwischen diesen beiden „Geschwistern“ gibt, dann müssen diese Veränderungen auf „erworbene Faktoren“ zurückzuführen sein.

Beispielsweise ist der Eisenanteil der Erde höher als der der Sonne, während der Anteil von Wasserstoff, Helium und anderen Elementen in der Sonne höher ist als auf der Erde. Wenn wir also annehmen, dass die Erde in die Sonne gefallen ist, würden sich die Anteile bestimmter Elemente in der Sonne ändern – wenn die Sonne einen Zwillingsbruder/eine Zwillingsschwester hätte, dann würde die Sonne zu diesem Zeitpunkt eine andere chemische Zusammensetzung aufweisen als diese.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass Sterne Planeten verschlucken

Auch wir hatten zunächst eine explorative Haltung: Wenn wir ein Zwillingsbrüderpaar mit Unterschieden finden könnten, wäre das ein Riesenerfolg. Doch unerwartet fanden wir nicht nur ein Paar, sondern mehr als zehn Paare.

Natürlich sind die Unterschiede zwischen Sternen nicht unbedingt auf die Planeten zurückzuführen, die sie verschlungen haben. Wir berücksichtigen auch Unterschiede in den Mechanismen der Elementniederschlagung in Sternatmosphären. Um unsere Hypothesen zu testen, haben wir detaillierte Modellierungen und Fehlerbehebungen durchgeführt.

Das Wichtigste ist, wie oben erwähnt, dass die Erde ein höheres Verhältnis schwerer Elemente zu flüchtigen Elementen aufweist als die Sonne. Wir haben festgestellt, dass es unter den Zwillingsbrüdern/-schwestern mit Unterschieden mindestens sieben Gruppen gibt, deren elementare Unterschiede der Situation entsprechen können, in der „die Erde in die Sonne fällt“.

Sherlock Holmes sagte einmal, wenn alle wahrscheinlichsten Szenarien ausgeschlossen seien, müsse das, was übrig bleibe, die Wahrheit sein, auch wenn die Wahrscheinlichkeit gering sei. Was für Detektive gilt, gilt sicherlich auch für Astronomen.

Unsere Schlussfolgerung lautet daher, dass in jedem zwölften Sternenpaar mindestens ein Stern das Material eines ihn umkreisenden Planeten verschlungen hat. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich auf dem Cover der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Interessanterweise ähnelt dieses Phänomen ein wenig der Situation, die Liu Cixin in einem anderen Werk, „Der Verschlinger“, beschreibt, oder dem berühmten Werk „Faun verschlingt seinen Sohn“ aus den „Schwarzen Gemälden“ des spanischen Malers Goya in seinen späteren Jahren.

Der spanische Maler Francisco José de Goya y Lucientes malt „Saturn verschlingt seinen Sohn“ | Wikipedia

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass viele Planetensysteme, wie im Dreikörperproblem dargestellt, ein gewisses Maß an Instabilität aufweisen. Anders als im Buch beschrieben, besteht diese Instabilität auch ohne einen nahegelegenen Begleitstern.

In den letzten Jahren haben einige Wissenschaftler, die sich mit der Theorie der Planetendynamik befassen, auch darauf hingewiesen, dass Systeme, insbesondere solche mit massereichen „Supererden“, von Natur aus instabil sind. Gravitationsstörungen durch Sterne und massereiche Planeten könnten ausreichen, um Instabilitäten auszulösen. Es ist ein bisschen so, als ob … wenn es in einer Familie viele Kinder gibt, herrscht im Haus höchstwahrscheinlich den ganzen Tag ein Chaos.

In Wirklichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sterne Planeten verschlucken, höher

Obwohl es einige theoretische Belege dafür gibt, übersteigt eine so hohe Wahrscheinlichkeit einer Verschlingung tatsächlich unsere Erwartungen. Dies bedeutet, dass Instabilitäten in Planetensystemen häufiger vorkommen könnten als bisher angenommen. Die Signale, die wir beobachten können, sind wahrscheinlich nur die Spitze des Eisbergs.

Illustration eines Sterns, der einen Planeten verschluckt | Handout/NSFs NOIRLab/AFP

Erstens stürzt ein ausgestoßener Planet nicht unbedingt in seinen Mutterstern. In Wirklichkeit könnte der Planet nach innen oder außen geschleudert werden. Würden sie nach innen gehen, würden sie wahrscheinlich vom Stern verschluckt werden. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass diese Planeten aus dem Sternensystem geschleudert werden und zu „wandernden Planeten“ werden, die im Universum umhertreiben.

Selbst wenn der Planet verschluckt wird, kann diese Spur aufgrund der Konvektion der Sternatmosphäre nach einer gewissen Zeit verschwinden. Der Vorgang ähnelt dem Eingießen von Milch in Kaffee. Dadurch entstehen einzigartige Texturen auf der Oberfläche des Kaffees, die sich jedoch mit der Zeit verändern und schließlich verschwinden.

Durch solche Beobachtungen entdeckten wir den zwölften „Verschlinger“. Allerdings breiten sich die Milchstreifen nach und nach aus, bis sie ganz verschwinden – und wir am Ende einen gleichmäßigen Latte haben. Dasselbe gilt für die Streifen auf Sternen, sodass wir die Verschluckungsereignisse, die vor langer Zeit stattgefunden haben, nicht beobachten können.

Das heißt, obwohl die beobachtete Wahrscheinlichkeit in unserer Stichprobe eins zu zwölf beträgt, ist die tatsächliche Wahrscheinlichkeit wahrscheinlich viel höher. Auch die verbleibenden Sternensysteme könnten instabil sein, die ausgestoßenen Planeten könnten sich einfach in „wandernde Erden“ verwandeln oder die Spuren der Verschlingung könnten mit der Zeit geglättet werden.

Unsere Erkenntnisse sind zwar interessant, aber wie alle wissenschaftlichen Entdeckungen sind die Fragen, die sie aufwerfen, wichtiger als die Schlussfolgerungen selbst.

Eine mögliche Erklärung ist, dass Planeten sehr häufig ausgestoßen werden, so dass es zu jedem Zeitpunkt einige Sterne geben wird, die das „Latte-Art“-Phänomen aufweisen; oder der Konvektionsprozess von Sternen ist sehr langsam, sodass die Spuren verschluckter Planeten lange erhalten bleiben können. Da wir die Dynamik von Mehrkörpersystemen und thermischen Konvektionsprozessen in Sternen jedoch noch nicht vollständig verstehen, sind zur Beantwortung dieser Fragen weitere Untersuchungen erforderlich.

Ich hoffe, dass unsere Forschung mehr Menschen dazu inspirieren kann, Planetensysteme und ihre Beziehungen zu Sternen zu studieren und diese Geheimnisse zu lüften.

Eine vielleicht noch wichtigere Erkenntnis unserer Arbeit besteht darin, dass das Gedeihen des Lebens auf der Erde von einem empfindlichen Gleichgewicht abhängt und dass unsere kosmische Heimat möglicherweise zerbrechlicher ist, als wir uns vorstellen. Als Astronom werde ich weiterhin die Geheimnisse des Universums erforschen und nach weiteren Hinweisen auf unseren Platz darin suchen. Gleichzeitig hoffe ich, dass unsere Forschung mehr Menschen dazu anregen kann, über die Stabilität von Planetensystemen nachzudenken und unser Verständnis und unsere Wertschätzung unserer kosmischen Heimat zu verbessern. Nur so können wir dieses Paradies, von dem das Leben abhängt, besser schützen und der Zivilisation auf der Erde weiterhin Wohlstand und Entwicklung ermöglichen.

Autor: Ding Yuansen, Außerordentlicher Professor, Abteilung für Astronomie und Informatik, Australian National University

Rezension von Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften