Die aktuelle Anzahl der Exoplaneten - die Anzahl der Planeten, bei denen Astronomen andere Sterne umkreisen - liegt bei 312. Das sind viele Planeten. Aber es könnte helfen, wenn wir genau wüssten, wo wir suchen müssen. Neue Forschungen mit Supercomputersimulationen von staubigen Scheiben um sonnenähnliche Sterne zeigen, dass Planeten, die fast so klein wie der Mars sind, Muster im Staub erzeugen können, die zukünftige Teleskope möglicherweise erkennen können. Die Forschung weist auf einen neuen Weg bei der Suche nach bewohnbaren Planeten. „Es kann eine Weile dauern, bis wir erdähnliche Planeten direkt um andere Sterne herum abbilden können, aber vorher können wir die verzierten und schönen Ringe erkennen, die sie in interplanetaren Staub schnitzen“, sagt Christopher Stark, der leitende Forscher der Studie an der Universität von Maryland, College Park.
In Zusammenarbeit mit Marc Kuchner im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Md., Modellierte Stark, wie 25.000 Staubpartikel auf die Anwesenheit eines einzelnen Planeten reagierten - von der Masse des Mars bis zum fünffachen der Erde - und einen sonnenähnlichen Stern umkreisten. Mit dem Thunderhead-Supercomputer der NASA in Goddard führten die Wissenschaftler 120 verschiedene Simulationen durch, bei denen die Größe der Staubpartikel sowie die Masse und die Umlaufbahnentfernung des Planeten variiert wurden.
„Unsere Modelle verwenden zehnmal so viele Partikel wie frühere Simulationen. Auf diese Weise können wir den Kontrast und die Formen von Ringstrukturen untersuchen “, fügt Kuchner hinzu. Aus diesen Daten kartierten die Forscher die Dichte, Helligkeit und Wärmesignatur, die sich aus jedem Parametersatz ergeben.
"Es ist nicht allgemein anerkannt, dass Planetensysteme - einschließlich unserer eigenen - viel Staub enthalten", fügt Stark hinzu. "Wir werden diesen Staub für uns arbeiten lassen."
Ein Großteil des Staubes in unserem Sonnensystem bildet sich innerhalb der Jupiter-Umlaufbahn, da Kometen in der Nähe der Sonne zusammenbrechen und Asteroiden aller Größen kollidieren. Der Staub reflektiert das Sonnenlicht und kann manchmal als keilförmiges Himmelslicht - als Tierkreislicht bezeichnet - vor Sonnenaufgang oder nach Sonnenuntergang gesehen werden.
Die Computermodelle berücksichtigen die Reaktion des Staubes auf die Schwerkraft und andere Kräfte, einschließlich des Lichts des Sterns. Sternenlicht übt einen leichten Widerstand auf kleine Partikel aus, wodurch diese die Orbitalenergie verlieren und näher an den Stern herandriften.
„Die Teilchen drehen sich nach innen und werden dann vorübergehend in Resonanzen mit dem Planeten eingeschlossen“, erklärt Kuchner. Eine Resonanz tritt immer dann auf, wenn die Umlaufzeit eines Teilchens ein kleines Zahlenverhältnis - wie zwei Drittel oder fünf Sechstel - des Planeten ist.
Wenn beispielsweise ein Staubteilchen jedes Mal, wenn der Planet eine vollendet, drei Umlaufbahnen um seinen Stern macht, spürt das Teilchen wiederholt an derselben Stelle seiner Umlaufbahn einen zusätzlichen Gravitationsschlepper. Für eine Weile kann dieser zusätzliche Schub die Widerstandskraft des Sternenlichts ausgleichen und der Staub kann sich in subtilen ringartigen Strukturen absetzen.
"Die Teilchen drehen sich in Richtung des Sterns, werden in einer Resonanz gefangen, fallen aus ihr heraus, drehen sich in einer weiteren Resonanz, werden in einer anderen Resonanz gefangen und so weiter", sagt Kuchner. Die Berücksichtigung des komplexen Zusammenspiels von Kräften auf Zehntausende von Partikeln erforderte die mathematische Leistung eines Supercomputers.
Einige Wissenschaftler stellen fest, dass das Vorhandensein großer Staubmengen ein Hindernis für die direkte Abbildung erdähnlicher Planeten darstellen könnte. Zukünftige Weltraummissionen - wie das im Bau befindliche und für 2013 geplante James Webb-Weltraumteleskop der NASA und der vorgeschlagene Terrestrial Planet Finder - werden nahegelegene Sterne mit staubigen Scheiben untersuchen. Die von Stark und Kuchner erstellten Modelle geben Astronomen eine Vorschau auf Staubstrukturen, die auf das Vorhandensein ansonsten verborgener Welten hinweisen.
"Unser Katalog wird anderen helfen, die Masse und die Umlaufbahnentfernung eines Planeten sowie die dominanten Partikelgrößen in den Ringen abzuleiten", sagt Stark.
Stark und Kuchner veröffentlichten ihre Ergebnisse in der 10. Oktober-Ausgabe des Astrophysical Journal. Stark hat seinen Atlas der exozodiakalen Staubsimulationen online verfügbar gemacht.
Quelle: Goddard Space Flight Center
