Entwicklung von Planetensystemen in Doppelsternen

Aufgrund der in den vergangenen Jahren stark zunehmenden Anzahl beobachteter Planetensysteme kamen Fragen nach ihrer Entstehung, ihrer dynamischen Entwicklung, aber auch ihrer Stabilität immer mehr ins Blickfeld der astrophysikalischen Forschung. Unter diesen jüngst entdeckten Planeten findet sich auch ein kleiner Anteil an Doppelsternsystemen wie etwa der gut beobachtete Prototyp Gamma Cephei. Obwohl sich die meisten Studien auf Planeten und proto-planetare Scheiben um Einzelsterne konzentrieren, sind Planeten um Doppelsterne von besonderem Interesse, da sich ca. 60% aller Sterne (der Sonnenumgebung) in Doppelstern- oder Mehrfachsystemen befinden. Wir sind daher überzeugt, dass ein Verständnis des Einflusses des Sekundärsterns auf die Planetenscheibe (und insbesondere ein tieferes Verständnis, unter welchen Bedingungen sich überhaupt Planeten in diesen Systemen befinden können), unsere Vorstellung von der Bildung und Langzeitentwicklung von Planetensystemen nachhaltig erweitern kann. Das Ziel unseres Projekts ist es, die state-of-the-art Modellierung der Kurz- und Langzeitentwicklung von Planetensystemen in Doppelsternen zu erweitern, um damit auch frühe Entwicklungsphasen (unmittelbar nach der Planetenbildung) einzubeziehen. Die Hauptziele liegen in zwei stark miteinander verknüpften Aspekten: Zum einen wollen wir die Entwicklung protoplanetarer Scheiben und bereits gebildeter Planeten in Doppelsternen (d.h. in einer Phase, in der eine Gas/Staubscheibe um den Primärstern noch vorhanden ist) mittels 2- und 3-dimensionaler fluiddynamischer Simulationen untersuchen. Zum anderen werden Langzeitstudien der dynamischen Entwicklung auf die frühe Entwicklungsphase ausgedehnt, in der eine proto-planetare Scheibe noch wichtig ist. Letztere wird in den orbitdynamischen Rechnungen über einen heuristischen Ansatz für die Wechselwirkung zwischen Planet und Scheibe berücksichtigt, der durch einen detaillierten Vergleich mit den fluiddynamischen Rechnungen formuliert werden soll. Damit erwarten wir uns genaue Langzeitvorhersagen der Dynamik des Planetensystems unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit einer Gas/Staub-Scheibe. Als Referenzbeispiel für ein Doppelsternsystem mit einem Planeten wollen wir den Prototyp Gamma Cephei benutzen. Die Antragsteller haben eine langjährige Erfahrung in Orbitdynamik und Stabilitätsanalysen von Planetensystemen sowie bei (2D- und 3D-) fluiddynamischen Simulationen mit Gitter-basierten und smoothed-particle- hydrodynamics (SPH) Programmen. U.a. wurde ein Programm zur Simulation flacher selbstgravitierender Scheiben bestehend aus mehreren Komponenten von einem der Antragsteller entwickelt und in verschiedenen Fällen angewandt. Mit den Ergebnissen des Projekts erwarten die Antragsteller die Eigenschaften protoplanetarer Scheiben in gut beobachteten Doppelsternsystemen herzuleiten bzw. zumindest einzuschränken. Da in den nächsten Jahren von einer weiteren starken Zunahme an beobachteten Planeten in Doppelsternen auszugehen ist - so lässt die europäische Satellitenmission CoRoT, die im Dezember 2006 gestartet wurde, Entdeckungen weiterer Planetensysteme u.a. auch in Doppelsternen erwarten -, werden die Projektergebnisse einen wertvollen und zeitgerechten Beitrag für unser Verständnis und die Erforschung von extra-solaren Planetensystemen liefern.

Dieses Projekt analysierte die Entstehung und Entwicklung von Planeten in Doppelsternsystemen. Während die Entstehungsphase durch aufwendige hydrodynamische Computersimulationen untersucht werden muss, können Langzeitentwicklungen dieser Systeme mittels weniger aufwendigen N-Körper Simulationen studiert werden. Ein wesentliches Ziel dieses -- in Hydrodynamik und Dynamik geteilten -- Projekts war es beide Gebiete zu vereinen, um erstmals einigen Tausend Protoplaneten in eine protostellare Gasscheibe eines Doppelsternsystems einzubetten, um das gravitative Wechselwirken aller Komponenten -- d.h. beider Sterne, aller Protoplaneten und der Gasscheibe -- genauer studieren zu können. Solche Simulationen waren bisher nicht möglich, da sie computertechnisch sehr aufwendig sind. In dieser wissenschaftlichen Arbeit ist dieser Schritt nun gelungen, indem ein GPU-CPU 2-dimensionaler Hydrodynamik-code entwickelt wurde, der das hydrodynamische Verhalten einer Gasscheibe und sehr präzise N-Körper Simulationen miteinander vereint. Dabei ist uns die positive Entwicklung auf dem Sektor der Grafikkarten entgegengekommen. Zur Zeit ist dieses neu entwickelte Programm das einzige, das solche Simulationen durchführen kann und wird auf dem Gebiet der Planetenentstehung sicherlich noch viele interessante Erkenntnisse bringen. Zuvor mussten wir allerdings diverse Randbedingungen genauer untersuchen, um die physikalische Relevanz zukünftiger Berechnungen zu gewährleisten, da diese für Simultionen in Doppelsternsystemen wesentlich sindAuch der Dynamikteil dieses Projekts kann interessante Resultate aufweisen. So wurde gezeigt, dass es nicht immer ratsam ist, allgemeine Stabilitätsstudien, die ein vereinfachtes Modell verwenden, zur Bestimmung des stabilen Bereichs von massereichen Planeten in Doppelsternsystemen zu verwenden. Unsere Studien zeigen, dass massive Planeten auf elliptischen Bahnen die Stabilitätsgrenzen wesentlich verändern können. Zudem wurde erstmals gezeigt, dass wir bei den zur Zeit sehr beliebten Habitabilitäts-Studien, die die Bedingungen für Leben im Universum untersuchen, in Doppelsternen keine Kreisbahnen bei erdähnlichen Planeten annehmen dürfen, da diese natürlich unter dem Einfluss des zweiten Sterns elliptisch werden. Wie stark die Abweichung von der idealen Kreisbahn ist, hängt von den Massen der Sterne, ihrem gegenseitigen Abstand und ihrer Bahnexzentrizität ab. Je größer die Exzentrizität umso stärker wird die Bahn des erdähnlichen Planeten beeinflusst. Durch dieses gravitative Wechselspiel wird auch die Bahn des Planeten elliptisch und ist damit mehr oder weniger starken Änderungen in der Sonnen/Sterneinstrahlung ausgesetzt. Diese Variationen können sich natürlich auf die Habitabilität (= Bewohnbarkeit) des Planeten auswirken. Nachdem in unserer Galaxie Doppelsterne offensichtlich häufiger vorkommen als Einzelsterne, sind diese Studien von großer Bedeutung.