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Es gibt 200 Milliarden Sonnen in der Milchstrasse. Eine Mehrheit dieser Sonnen lebt in Paaren von zwei Sonnen. Unsere Sonne gehört der Minderheit der Einzelsterne an. Unter welchen Bedingungen können Doppel- oder Mehrfachsterne Planeten haben? Neuere Untersuchungen und Beobachtungen zeigen, dass es Planeten mit mehreren Sonnen am Himmel offenbar gibt.
 Untergang von vier Sonnen. Ein nicht unmögliches Bild. Mehr Erklärungen hier. © R. Brodbeck. |
Doppelsterne sind ein beliebtes Beobachtungsobjekt für Amateurastronomen. Ein Stern, der von blossen Auge als ein Lichtpunkt erscheint, enthüllt das Teleskop als zwei oder mehr dicht beieinander stehende Sterne. Bei näherer Untersuchung durch professionelle Astronomen zeigt sich, das Eigenbewegung und Distanz beider Komponenten gleich sind. So kann gezeigt werden, dass Die Sonnen des Doppelsterns nicht etwa zufällig hintereinander stehen, sondern aufgrund ihrer Schwerkraft einander umkreisen.
Die beiden Sonnen eines visuellen Doppelsterns kann man mit einem Teleskop unterscheiden. Beobachtet man den Doppelstern über viele Jahre, kann verfolgt werden, wie die beiden Sonnen einander umkreisen. Ein spektroskopischer Doppelstern erscheint auch im grössten Teleskop nur als ein Stern. Die beiden Sonnen umkreisen einander auf einer zu engen Bahn, als dass sie aus sehr grosser Entfernung getrennt gesehen werden können. Mit dem technischen Fortschritt können immer mehr vormals spektroskopische Doppelsterne visuell (bzw. fotografisch) getrennt werden. Doppelsterne sind für die Astrophysik von grosser Bedeutung. Durch Beobachtung der Bewegung der Sonnen umeinander kann auf ihre Masse geschlossen werden. In günstigen Fällen, wo während eines Umlaufs für uns die eine Sonne hinter der anderen verschwindet (ein sog. bedeckungsveränderlicher Stern), kann auch der Durchmesser der beiden Sonnen bestimmt werden. |
Die Frage, ob es nun in solchen Doppelsternsystemen Planeten haben kann, lässt sich in zwei Teilbereiche aufteilen. 1. Frage: Kann es in Doppelsternsystemen Bahnen für Planeten geben, die über lange Zeit himmelsmechanisch stabil sind? Stabil heisst hier, dass der Planet über Milliarden Jahre abgesehen von kleinen Schwankungen sich auf derselben Bahn im Doppelsternsystem bewegt und insbesondere weder mit einer Sonne zusammenstösst noch aus dem System rausgeschleudert wird. 2. Frage: Selbst wenn es stabile Bahnen gäbe, entstehen überhaupt Planeten in einem Doppelsternsystem?
Wenn zwei Sonnen durch ihre Schwerkraft auf die Bahn eines Planeten einwirken, ist die Bahn nicht mehr ein Kreis oder eine Ellipse wie im Falle von nur einer Sonne. Ein in einem Doppelstern losgelassener Testkörper führt in der Regel ein paar recht verbogene Schleifen um den Schwerpunkt aus und stürzt dann auf eine der Sonnen oder wird bei einer engen Begegnung mit einer Sonne aus dem System hinausgeschleudert. Man kann durch Feinjustierung der Parameter zwar Bahnen finden, in der der Planet und die Sonnen nach einer gewissen Zeit dieselbe relative Position und Geschwindigkeit wieder einnehmen, doch ist nicht zu erwarten, dass ein solcher Planet natürlich auf solch spezielle Bahnen gelangen kann und sich dort Milliarden Jahre lang bleibt. So wäre hier die Antwort auf Frage 2 mit nein zu beantworten.
 Nummerische Simulation einer Situation wie sie jüngst entdeckt wurde: Ein System mit drei Sonnen, die einzelne Sonne wird von einem Planeten umkreist. Der Planet ist die violette Bahn, die anderen sind Sonnen. Etliche Bahnen, wie das Beispiel links, sind nicht stabil. Es sind jedoch auch stabile Umlaufbahnen des Planeten möglich (Beispiel rechts). Die Simulation wurden mit dem Java-Applet Mehrkörperproblem im Lexikon durchgeführt. © R. Brodbeck. |
Es gibt jedoch einen Ausweg. Man muss für eine normale stabile Bahn näherungsweise wieder die Situation von nur einer Sonne herbeiführen. Dies ist der Fall, wenn der Planet so nahe an einer Sonne kreist, dass die Schwerkraft der zweiten entfernteren Sonne den Planeten nicht mehr wesentlich beeinflusst. Man nennt den ersten Fall Umlaufbahnen vom Typ S. Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Planeten soweit vom Doppelstern entfernt kreisen zu lassen, dass ihre Schwerkraft in guter Näherung wie eine Sonne wirkt. Der Planet befindet sich dann auf einer Umlaufbahn vom Typ P.
Man hat die Langzeitstabilitäten von möglichen Planetenbahnen in Doppelsternsystemen untersucht indem man auf schnellen Rechnern Simulationen durchgeführt hat. Details solcher Berechnungen findet man z.B. in der Arbeit von M.J. Holman und P.A. Wiegert. Sie zeigen, dass auch bei Doppelsternen auf sehr elliptischen Bahnen sich Umlaufbahnen vom Typ S sicher in der Nähe einer Sonne finden lassen, wenn der Abstand zwischen Planet und Sonne 10% oder weniger des mittleren Abstandes zwischen den beiden Sonnen beträgt. Sind die Umlaufbahnen fast kreisförmig, so darf der Abstand des Planeten von seiner Sonne bis auf 37% des Abstandes zwischen den Sonnen anwachsen.
Stabile Umlaufbahnen vom Typ P sind ab dem Vierfachen des mittleren Sonnenabstandes zu erwarten. Bei kreisförmigen Bahnen genügt sogar der 2.3-fache Abstand.
Die Abstände zwischen zwei Sonnen in einem Doppelsternsystem reichen von weniger als einer Million Kilometer bis vielen Milliarden Kilometer (Abstand Erde – Sonne = 150 Millionen Kilometer). Entsprechend gibt es Umlaufzeiten zwischen einem Tag und vielen Jahrtausenden.
Unser Nachbar Alpha Centauri ist ein Doppelstern. Eine Sonne, die von Grösse, Gewicht und Temperatur fast identisch mit unserer ist, wird mit einer Umlaufzeit von 80 Jahren von einer etwas leichteren und schwächeren Sonne umkreist. Die minimale Distanz beträgt dabei das Elffache des Abstandes zwischen Sonne und Erde. Somit gibt es keine himmelsmechanischen Gründe gegen einen erdähnlichen Planeten in einer Umlaufbahn vom Typ S im Alpha-Centauri System.
Die zweite Frage, können überhaupt Planeten in Doppelsternsystemen entstehen, wurde kontrovers diskutiert, bis die ersten Planeten in Doppelsternsystemen gefunden wurden. Seit 1995 ist man in der Lage, Planeten anderer Sonnen als der unseren zu entdecken. Inzwischen sind die verschiedenen Nachweismethoden in der Fachwelt unumstritten, auch professionell ausgerüstete Amateursternwarten beteiligen sich mittlerweile erfolgreich an der Suche. Für normale Sonnen ist die Nachweismethode noch zu unempfindlich um auch leichte Planeten wie die Erde nachzuweisen.
Der inzwischen mehr als 150 Einträge umfassende Katalog von Planeten anderer Sonnen (sog. extrasolare Planeten) weisst auch mehrere Einträge auf, die Planeten in Doppelsternen betreffen. Es kommen sowohl Umlaufbahnen vom Typ S als auch vom Typ P vor. Obwohl es sich dabei um Planeten handelt, die das Gewicht der Erde um einen Faktor 100 bis 1000 übertreffen, zeigen die Entdeckungen, dass die Geburt eines Doppelsterns nicht automatisch das Entstehen eines Planetensystems verhindert, wie früher befürchtet wurde.
Die jüngste Entdeckung ist ein Planet in einem Sonnensystem mit drei Sonnen. Ein enges Paar von Sonnen umkreist eine weitere Sonne. Diese hat einen jupitergrossen Planeten in einer engen Umlaufbahn.
 Sonnenuntergang eines sehr engen Doppelsterns vom Typ VW Cep. © R. Brodbeck. |
Es spricht nun wenig dagegen, dass sich ein erdgrosser Planet in einem Doppelsternsystem aufhält. Nehmen wir beispielsweise an dass die Bildung unseres Sonnesystems so verlaufen wäre, dass sich mit derselben Leuchtkraft anstelle einer Sonne ein enges Paar gebildet hätte. Die beiden Sonnen hätten dann je eine halbe Sonnenleuchtkraft und je nur 80% der Masse unserer Sonne. Die Umlaufzeit der Erde um das Paar wäre allerdings kürzer. Das Jahr würde nur 289 Tage dauern. Das Sonnenpaar dürfte einander höchstens in 30 Millionen Kilometer Distanz umkreisen, sonst wäre nach [1] die Umlaufbahn der Erde in 150 Millionen Kilometern Distanz nicht über Milliarden Jahre stabil. Damit wären die Sonnen von der Erde aus gesehen höchstens eine Handbreit am Himmel auseinander. Sie würden deshalb immer kurz nacheinander auf oder untergehen und es gäbe trotzdem dunkle Nachte.
Die Simulation links zeigt den Fall, dass die Erde ein Kontaktsystem umkreisen würde. Die beiden Sonnen gehen gerade unter. In einem solchen Doppelstern umkreisen die beiden Sonnen einander auf so engen Bahnen, dass sie einander berühren und sie eine gemeinsame Oberfläche haben. Ein solcher Doppelstern ist beispielsweise W Ursae Majoris oder VW Cephei. Der letztere hat hier als Vorlage gedient. Auf VW Cephei kommt es manchmal zu heftigen Flares (plötzliche Energieausbrüche auf der Sonne)[2], wie gerade zum Zeitpunkt der Aufnahme. Für die bemannte Raumfahrt dieses Planeten könnten die mit den Flares freiwerdende Röntgenstrahlung ein ernsthaftes Problem sein, denn die Flares von VW Cephei sind 10'000 mal stärker als ein typisch starker Flare auf der Sonne.
Oft wird über die Variante nachgedacht, dass Jupiter nur etwas schwerer sein müsste und schon würden wir in einem Doppelsternsystem leben. Ganz so knapp wie im Science-Fiction Film ist es nicht. Jupiter müsste 80 mal schwerer sein, um wenigstens eine rote Zwergsonne zu sein. Trotzdem beeinflusst Jupiter mit „nur“ 1 Promille der Sonnenmasse bereits die Erdbahn wesentlich. Er sorgt dafür, dass die Erdbahnform von fast kreisförmig bis mässig elliptisch schwankt. Der mittlere Abstand (bzw. die grosse Halbachse der Ellipse) zur Sonne bleibt dabei nahezu konstant. Bei stärker elliptischer Bahn hält sich die Erde länger in den sonnenfernen Teilen der Bahn auf, so dass das Klima kühler ist als im (so gut wie) kreisförmigen Fall. Diese periodischen Bahnänderungen können den Wechsel zwischen Warm- und Eiszeiten bewirken, sind jedoch nicht die einzige astronomische Ursache, die Lage der Erdachse spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.
Wenn Jupiter ein Brauner Zwerg wäre, also mindestens 13x schwerer, so würde die Form der Erdbahn viel rascher schwanken, als sie es mit dem normalen Jupiter tun würde. Die Erdbahn würde jedoch relativ kreisförmig bleiben. Da die Bahnexzentrizität nur einer von etlichen Eiszeiten auslösenden Faktoren ist, würde Jupiter als Brauner Zwerg nicht viel für die Erde ändern. Auch würde Jupiter für das blosse Auge am Nachthimmel nicht wesentlich anders aussehen als jetzt, nämlich wie ein heller Stern.
Dramatischer werden die Auswirkungen, wenn Jupiter eine Sonne wäre. Nehmen wir einen roten Zwerg von 10% der Masse unserer Sonne an. Die Exzentrizität der Erdbahn unterliegt nun erheblicheren Schwankungen. Jedoch ist dies noch kein Grund, dass hier nicht eine Erde existieren könnte wie die unsere. Die Erde wärmen würde der Rote Zwerg nicht. Er hat nur 1/1000 der Leuchkraft der Sonne und ist ausserdem weiter weg. Trotzdem wäre der rote Zwerg deutlich heller als der Vollmond. Astronomisch dunkle Nächte würden auf der Erde selten.
Literatur
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