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Seminararbeit der Oberstufe
Abiturjahrgang 2010/2012
Kurs: W05Ph
Kursleiter: Frau Honal
Verfasser: Katrin Schicker
Thema: Das Planetensystem Ypsilon Andromedae
Abgabetermin: 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
2. Das Planetensystem Ypsilon Andromedae
2.1 Charakterisierung des Ypsilon Andromedae-Systems
2.1.1 Definition Planetensystem
2.1.2 Das Ypsilon Andromedae-System
2.1.3 Lage
2.2 Entdeckungsgeschichte
2.3 Elemente des Systems
2.3.1 Sterne
2.3.1.1 Ypsilon Andromedae A
2.3.1.2 Ypsilon Andromedae B
2.3.2 Planeten
2.3.2.1 Typifizierung der Planetenumlaufbahnen
2.3.2.2 Ypsilon Andromedae d
2.3.2.3 Ypsilon Andromedae c
2.3.2.4 Ypsilon Andromedae b
2.4 Am Rande des Chaos
3. Komplexität der Astronomie
4. Literaturverzeichnis
4.1 Zeitschriften / Bücher
4.2 Internetadressen
5. Abbildungsverzeichnis
6. Eidesstattliche Erklärung
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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 Exoplanetensysteme3 und mit dieser Arbeit will ich die bisherigen
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 vier6 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 5 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
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 10 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
6
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.
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.
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 18 http://www.avgoe.de/StarChild/DOCS/STARCH00/questions/question10.html 19 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1211
9
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 Artikel22 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 Ypsilon-
Andromedae-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 21 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
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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 K32, 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.
Anhand des Spektraltyps und der absoluten Helligkeit kann ein Stern im Hertzsprung-Russell-
Diagramm 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.
Abbildung 7: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps M
13
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 S-
Typs 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 * 1,8986x1026 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 44 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
14
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 * 1,8986x1026 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 mit mindestens 0,7 Jupitermassen
Ich erkläre, dass ich die Seminararbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benützt habe.
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