Gut zwei Jahrzehnte ist es her. Im Oktober 1995 gaben die Genfer Astronomen Didier Queloz und Michel Mayor die Entdeckung des ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems bekannt. Er kreist um den Stern 51 Pegasi, der in 50 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Pegasus steht. Ende 2015 wurde der Trabant nach seinen Entdeckern Dimidium getauft.

In den folgenden Jahrzehnten fanden die Himmelsforscher immer mehr solcher sogenannten Exoplaneten. Bis zum 4. August 2016 listete das Internetportal „Extrasolar Planets Encyclopedia“ 3489 Trabanten auf, die in fast 2570 Systemen kreisen. Darunter befinden sich mehr als 220 erdähnliche Gesteinsplaneten.

Bereits bei der Analyse der Beobachtungsdaten von Dimidium erlebten die Astronomen eine Überraschung. Denn der Planet läuft einmal in 4,2 Tagen um seinen Zentralstern und ist gerade 0,05 Astronomischen Einheiten (AE) von diesem entfernt (eine AE entspricht dem Abstand Erde-Sonne von 150 Millionen Kilometern).

Ein wahrer Gigant

In unserem Sonnensystem würde dieser Planet damit noch weit innerhalb der Bahn des innersten Planeten Merkur kreisen, der so klein ist, dass er vom Durchmesser her bequem in den afrikanischen Kontinent passen würde. Wie erstaunt waren die Astronomen aber, als der sich als wahrer Gigant entpuppte. Er weist etwa die halbe Masse von Jupiter auf. Und dieser ist mit 318 Erdmassen der größte Planet unseres Sonnensystems.

Damit war ein scheinbar eherner Lehrsatz der Astronomie über den Haufen geworfen. In unserem Sonnensystem nämlich kreisen die großen Gas- und Eiswelten weit draußen, während innen vier Gesteinsplaneten ihre Bahn ziehen. Diese Konfiguration sollte bereits in der Frühzeit des Sonnensystems entstanden sein, das sich aus einer flachen, rotierenden Gas- und Staubscheibe, der sogenannten protoplanetaren Scheibe bildete.

Als in deren Zentrum die Sonne aufflammte, trieb ihre Strahlung die leichten Bestandteile wie Wasserstoff, Helium und Wasserdampf nach außen. In einer bestimmten Entfernung war die Temperatur dann tief genug, um die Gase kondensieren zu lassen, und die Bildung der Riesenplaneten begann. In Sonnennähe waren die schweren Partikel zurückgeblieben, die Silizium, Aluminium und Eisen enthielten. Aus ihnen gingen die Gesteinsplaneten hervor.

Dieser Mechanismus, so glaubten die Forscher, funktioniere universell. Dem entsprechend sollten auch die Systeme ferner Sterne eine ähnliche Struktur aufweisen. Doch wie sich zeigte, gleicht kaum eines der fremden Systeme unserem Sonnensystem, und auch die Planeten sind anders, als man je dachte. So fanden sich zum Beispiel viele sogenannte heiße Jupiter. Das sind Riesenplaneten, die – wie auch Dimidium – auf sehr engen Bahnen um ihr Zentralgestirn ziehen.

Andere Trabanten wiederum erwiesen sich als aufgeplusterte Gasbälle, deren Dichte geringer ist als die von Kork. Oder als von Lava bedeckte Gesteinswelten mit Wolken aus verdampftem Fels und Metallen. Auch Wasserwelten wurden entdeckt: größer als die Erde, vermutlich mit dichter, heißer Atmosphäre. Es gibt Trabanten mit langgestreckten, elliptischen Bahnen, wie man sie im Sonnensystem nur von Kometen kennt.

Wieder andere laufen in Mehrfachsystemen um, dort werden sie von bis zu vier Sonnen beschienen. „Naive Vorstellungen über die extrasolaren Planeten wurden von den Daten immer wieder übertroffen“, sagt der Astrophysiker Stefano Meschiari von der University of Texas in Austin. „Von der Vielfalt der Exoplaneten und den Konfigurationen ihrer Systeme hatten wir keine Ahnung, bis wir sie beobachten konnten.“

Ein Beispiel ist das System von 55 Cancri. So heißt ein Doppelstern, der in 41 Lichtjahren Distanz im Sternbild Krebs steht. Der größere Partner ist ein sonnenähnlicher gelber Stern. Bei ihm fanden die Forscher bislang fünf Planeten. Vier davon kreisen innerhalb von 0,8 AE. Der innerste ist doppelt so groß wie die Erde und hat ihre achtfache Masse. Damit zählt er zu den Supererden. Das sind Gesteinsplaneten, die zwischen einer und 14 Erdmassen aufweisen. Ihm folgen ein Gasriese von 0,8 Jupitermassen und ein Trabant von der Größe Neptuns.

Interessant ist der Begleiter Nummer vier. Sein Orbit liegt in der Lebenszone seines Systems, habitable Zone genannt. Hier sind die Temperaturen so beschaffen, dass Wasser flüssig vorliegt. Das gilt als Voraussetzung für die Entstehung von Leben, wie man es auf der Erde kennt. Doch er ist ein Gasplanet von 45 Erdmassen, was die Existenz höherer Organismen dort unwahrscheinlich macht. Dafür könnte er bewohnbare große Monde haben. Außen im System kreist ein Brocken von fast vierfacher Jupitermasse.

Ähnlich dicht bevölkert ist der Innenraum des Sterns Kepler-11. Er befindet sich etwa 2000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schwan und wird von mindestens sechs Exoplaneten umkreist. Fünf davon laufen zwischen 0,09 bis 0,25 AE um, befänden sich also wiederum in unserem Sonnensystem innerhalb der Umlaufbahn des Merkur. Zum Teil sind es Supererden, zum Teil Gasplaneten ungefähr von der Größe unseres Neptuns. Wieder anders setzt sich das nur 23 Lichtjahre entfernte System des Sterns Gliese 667C zusammen.

Dieser ist ein sogenannter Roter Zwerg und gehört einem Dreifachsystem an. Ihn umrunden sechs, vielleicht sogar sieben Planeten. Alle sind Supererden mit Massen zwischen 2,6 und 5,6 Erdmassen. Über ihren Oberflächen leuchten die beiden anderen Sonnen so hell wie der Vollmond auf der Erde. Gleich drei davon ziehen ihre Bahn in der Lebenszone des Sterns. Das ist ein Rekord – und deutet laut dem Entdeckerteam darauf hin, dass kleinere Sonnen mehr erdähnliche Planeten besitzen als große.

Entstehung heißer Jupiter

Noch mehr Begleiter weist der 128 Lichtjahre entfernte sonnenähnliche Stern HD 10180 auf. Sieben sind gesichert, bei zwei weiteren steht die Bestätigung noch aus. Gäbe es sie wirklich, besäße HD 10180 mehr Planeten als unser Zentralgestirn. Dennoch ähnelt das System dem unseren in keiner Weise. Fünf der Trabanten kreisen auf Bahnen, die enger sind als der Orbit von Merkur. Der innerste Planet hat ungefähr die Masse der Erde, die übrigen sind Supererden oder Gasriesen.

Die Beispiele ließen sich fortsetzen. Heute kennen die Himmelsforscher einige Erklärungen für diese Vielgestaltigkeit – vor allem für die Entstehung der heißen Jupiter. „Erst dachten wir, sie seien Sonderlinge, weil wir so etwas nicht im Sonnensystem haben“, sagt der Astronom Greg Laughlin von der University of California in Santa Cruz. „Doch je mehr wir davon fanden, ebenso wie kleinere Planeten, die nah an ihren Sternen kreisen, desto klarer wurde, dass unser System der Außenseiter ist.“

Offenbar wachsen die Gasriesen wie vermutet weiter außen in ihren Systemen heran. Dort treten sie mit der protoplanetaren Scheibe in Wechselwirkung. Dabei werden sie abgebremst und driften auf einer spiralförmigen Bahn in Richtung Stern. Warum fallen sie dann nicht in ihre Sonnen? „Dafür sind vermutlich Magnetfelder verantwortlich, die über die Scheiben an die Planeten koppeln“, erklärt Thomas Henning, Direktor am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie. „So hören sie an der inneren Grenze der Scheibe auf zu wandern und verharren dort.“

Der Geburtsprozess von Planeten endet, wenn das Baumaterial in der Scheibe aufgebraucht ist. Dann wird die bis dahin vorhandene Konfiguration gleichsam eingefroren, es kann aber immer noch Wechselwirkungen geben, die zu weiteren Wanderungsbewegungen führen. So geschah es auch in unserem System, wie Simulationsrechnungen französischer und US-Astronomen ergaben.

Lange galt als ausgemacht, dass die Planeten an den Positionen, an denen heute ihre Bahnen verlaufen, auch entstanden. Doch an den Orten der Gas- und Eisriesen im äußeren Sonnensystem war in der protoplanetaren Scheibe dafür zu wenig Material vorhanden. Sie müssen also weiter innen in den dichteren Bereichen entstanden sein. Im frühen Sonnensystem ging es jedoch sehr chaotisch zu.

Viele der neuentstandenen Körper – sogenannte Planetesimale – flogen nahe aneinander vorbei, oder sie kollidierten. Beides führte den Planeten Bahnenergie zu, sodass sie langsam von der Sonne weg wanderten. Nur Jupiter war schon so massereich, dass er die meisten Planetesimale, die ihm zu nahe kamen, nach außen schleuderte. Durch diese gravitative Wechselwirkung rückte er weiter nach innen.

Saturn rettete das Sonnensystem

Diese Wanderung hatte mehrere Konsequenzen. Offenbar entstand Jupiter in 3,5 Astronomischen Einheiten Abstand zur Sonne, bewegte sich dann aber bis auf 1,5 AE nach innen. Dort kreist heute der Mars. Mit seiner Schwerkraft fegte der Riesenplanet wie ein Schneepflug alle Planetesimale, die sich innerhalb seiner Bahn aufhielten, in einer dichten Scheibe zusammen, deren äußerer Rand auf der Höhe der heutigen Erdbahn lag. Die Simulationen zeigten, dass das Material dieser Scheibe zur Bildung von vier Gesteinsplaneten ausreichte. Der äußerste von ihnen, der im relativ dünnen Außenbereich entstand, blieb entsprechend massearm. Es war der Mars.

Zugleich harmonisierten sich die Bahnen von Jupiter und dem weiter außen kreisenden Saturn, sodass der Gasriese zwei Sonnenumläufe in der gleichen Zeit vollendete, die der Ringplanet für drei benötigte; Astronomen sprechen von einer Resonanz. Saturn rettete damit nicht nur Jupiter, sondern das gesamte Sonnensystem.

Denn dieser Effekt stoppte die Einwärtsspirale Jupiters, die vermutlich mit dem Einsturz auf die Sonne geendet hätte. Auf dem Weg dorthin hätte er die Planetesimale aus der inneren Scheibe herausgeschleudert und so die Entstehung der Gesteinsplaneten verhindert. Auch der Erde.

Stattdessen wanderte das Riesenplanetenpaar nach außen. Dadurch wurden die Bahnen der beiden äußeren Planeten Uranus und Neptun so stark gestört, dass sie ihre Umlaufbahnen tauschten. „Das frühe Sonnensystem sah also anders aus als heute, es gab viele dynamische Wechselwirkungen, die zu seiner heutigen stabilen Konfiguration führten“, resümiert Henning. Hinzu kommt, dass Sterne meist in dichten Haufen entstehen, sodass es zu nahen Vorbeiflügen kommt. Dies kann die Planeten eines Systems durcheinanderwirbeln.

Vor wenigen Wochen berichteten Astronomen im Fachjournal Nature von der Entdeckung zweier Trabanten – einer von der Größe Neptuns, der andere ein jupiterähnlicher Gasriese. Sie umkreisen zwei junge Sterne auf sehr engen Bahnen. Eines der Systeme ist gerade zwei Millionen Jahre alt, das andere fünf bis zehn Millionen. „Dies bestätigt die Theorie, dass Riesenplaneten bereits in sehr frühen Phasen auf ihren Stern zuwandern können“, urteilt Mitentdecker Jean-François Donati vom Laboratoire Astrophysique de Toulouse.

Auch zwei Studien der US-Raumfahrtbehörde Nasa bestätigen dieses Bild. In einer davon nahmen die Autoren mit dem Spitzer-Weltraumteleskop das System des 190 Lichtjahre entfernten Sterns HD 80606 unter die Lupe. Dabei ertappten sie einen wandernden Riesenplaneten in flagranti.

Seine Umlaufbahn ist stark exzentrisch, alle 111 Tage kommt er seinem Zentralgestirn sehr nahe, wobei er abgebremst wird. Dadurch verliert er Bahnenergie und driftet nach innen, zugleich wird sein Orbit kreisförmiger. In einigen Millionen Jahren dürfte er auf einer sternnahen Bahn zur Ruhe kommen.

Forschung mit Computersimulationen

Andere Astronomen beobachteten das System von Kepler-223, das deutlich älter als unser Sonnensystem ist. Dort fanden sie vier Planeten von der Größe Neptuns, die sehr nah an ihrem Stern kreisen – und zwar auf stabilen Bahnen, auf denen sie schon früh in Resonanz gerieten. Mit unserem heutigen Sonnensystem hat es also wenig gemeinsam.

Dafür könnten wir die Planeten in der Konfiguration sehen, in der sich Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun in der Urzeit unseres Systems befanden, bevor sie auf ihre gegenwärtigen Plätze wanderten. Das ermittelten die Forscher anhand von Computersimulationen. Offenbar verlief die Entstehung dieser Himmelskörper recht ruhig, Turbulenzen, wie sie in unserem System herrschten, blieben ihnen erspart. Deshalb wanderten sie nicht mehr nach außen.

Diese Forschungsergebnisse zeigen, dass Planetensysteme ganz individuelle Entstehungsgeschichten haben und infolgedessen auch sehr unterschiedlich konfiguriert sind. Die Frage ist, ob es mehr Systeme gibt wie das unsere, oder ob es in seiner Struktur einzigartig ist. Nach heutigem Wissensstand sind derartige Systeme eher selten.

Das wirkt sich auf die Wahrscheinlichkeit von Leben im All aus. Denn die Riesenplaneten lenken mit ihrer Schwerkraft Kometen ab, die aus dem äußeren System heranfliegen. So schützen sie die inneren Trabanten vor verheerenden Einschlägen, die auf der Erde das Leben auslöschen könnten. Wie ein Exosystem letztendlich aussieht und ob darin Organismen entstehen und überleben, entscheidet sich offenbar in einem großen kosmischen Würfelspiel.