Die Auswirkung der galaktischen Gezeiten auf die Stabilität der Planeten

Von den Gezeiten hat sicher jeder schon mal gehört. Wer am Meer wohnt oder dort den Urlaub verbracht hat, hat das Phänomen sicher auch schon selbst erlebt. In regelmäßigen Abständen hebt und senkt sich der Meeresspiegel. Der Grund dafür ist im Detail etwas kompliziert zu erklären, im wesentlichen läuft es aber auf folgendes hinaus: Die Gravitationskraft hängt vom Abstand ab. Deswegen ist die Anziehungskraft des Mondes auf der Seite der Erde, die dem Mond zugewandt ist größer, als auf der gegenüberliegenden Seite. Zusammen mit der Bewegung von Erde und Mond um ihren gemeinsamen Schwerpunkt führt das zu einer Gezeitenkraft, die das Meerwasser anhebt. Auch das Land übrigens, aber da der Boden fest ist und nicht flüssig merkt man das hier kaum.

Gezeiten sind allerdings keine spezielle Eigenschaft von Erde oder Mond. Gezeitenkräfte wirken überall. Auch die Sonne übt eine Gezeitenkraft auf die Erde aus. Die Erde übt eine Gezeitenkraft auf den Mond aus. Andere Planeten und ihre Monde beeinflussen sich gegenseitig durch Gezeiten. Und natürlich existiert die Kraft auf auch größeren Maßstäben. Zum Beispiel bei ganzen Galaxien.

Wenn sich zwei Galaxien begegnen, dann wirken auch zwischen ihnen Gezeiten. Und so wie der Mond das Wasser der anhebt, können die Gezeitenkräfte zwischen Galaxien ihre Form verändern. Die Galaxien werden auseinandergezogen, wie man in diesem Bild schön sehen kann:

Gezeitenkräfte wirken aber nicht nur zwischen Galaxien, sondern auch innerhalb von Galaxien selbst. Unsere Milchstraßen-Galaxie besteht aus ungefähr 200 Milliarden Sternen. Sie bilden eine große, viele Zehntausend Lichtjahre durchmessende Scheibe. In der Mitte der Scheibe befindet sich eine kugelförmige Region, in der sehr viele Sterne sehr dicht bei einander stehen: der sogenannte „Bulge“. Jeder Stern bewegt sich um das Zentrum der Milchstraße und seine Bewegung wird durch die gesamte wirkende Gravitationskraft aller Sterne bestimmt. Und so wie bei der Bewegung von Planeten um einen Stern gibt es auch bei der Bewegung von Sternen durch eine Galaxie natürlich Gezeitenkräfte.

Diese Kräfte können im Prinzip auch die Bewegung von Planeten beeinflussen. Dimitri Veras und Wyn Evans von der Universität Cambridge haben diesen Effekt in ihrer Arbeit „Exoplanets Beyond the Solar Neighbourhood: Galactic Tidal Perturbations“ detailliert untersucht. Will man wissen, wie stark die galaktischen Gezeiten die Bewegung eines Planeten beeinflussen, dann muss man drei grundlegende Dinge berücksichtigen:

• Die Position des Planetensystems innerhalb der Galaxie. Je näher sich ein Stern am dicht besiedelten Bulge befindet, desto stärker wird der Einfluss der Gezeitenkraft.
• Die Position des Planeten innerhalb des Planetensystems. Ob ein Planet von den galaktischen Gezeiten beeinflusst wird, hängt davon ab, wie stark die gravitative Bindung an den eigenen Stern ist. Je näher er sich am Stern befindet, desto weniger ist er den Gezeiten ausgeliefert.
• Die Neigung des Planetensystems gegenüber der Ebene der galaktischen Scheibe. Die galaktischen Gezeiten wirken nicht in alle Richtungen gleich stark. Je stärker die Bahn eines Planeten gegenüber der galaktischen Ebene geneigt ist, desto stärker wirken auch die galaktischen Gezeiten.

Um den gravitativen Einflussbereichs eines Sterns zu beschreiben, verwendet man den sogenannten Hill-Radius. Innerhalb dieses Radius dominiert die Gravitationskraft des Sterns und die galaktischen Gezeiten spielen eine untergeordnete Rolle. Der Hill-Radius hängt von der Masse des Sterns ab und der Position des Sterns innerhalb der Galaxie. Für einen Stern mit der Masse der Sonne sieht das zum Beispiel so aus:

Die x-Achse zeigt den Abstand vom galaktischen Zentrum in Kiloparsec. Die y-Achse gibt den Hill-Radius an (rechts ist die Einheit 100000 Astronomische Einheiten, links sind es parsec); für jede der drei möglichen Richtungen extra. Man sieht gut, dass der Hill-Radius in z-Richtung, also senkrecht zur Ebene der galaktischen Scheibe, am geringsten ist.

Unsere Sonne befindet sich grob 10 kpc vom Zentrum entfernt. Ihre Hillsphäre reicht 300000 Astronomische Einheiten in die x-Richtung, 200000 AE in die y-Richtung und 150000 in die z-Richtung. Das ist ungefähr die Gegend, in der sich auch die Oortsche Wolke befindet, also die Region aus der die Kometen stammen. Dort befinden sich ein paar Billionen Kleinkörper und es ist durchaus möglich, dass die galaktischen Gezeiten ihre Bahn beeinflussen und ab und zu die Bahn der Kometen so verändern, dass sie ins innere Sonnensystem gelangen können.

Ansonsten haben die galaktischen Gezeiten aber kaum Einfluss auf unser Sonnensystem. Veras und Evans geben eine simple Faustregel an, mit der sich berechnen lässt, auf welchen Zeitskalen sich der Einfluss der galaktischen Gezeiten abspielt. Die Periode P der Störungen, die durch die galaktischen Gezeiten ausgelöst werden ist ungefähr gleich dem Verhältnis von P_ext² und P_pl. P_ext ist die Umlaufzeit des Sterns um das Zentrum der Galaxie und P_pl die Umlaufzeit des Planeten um den Stern. Für Jupiter ergibt sich hier zum Beispiel eine Periode für die galaktischen Gezeiten von mehreren Billionen Jahren! Das ist deutlich länger als das Universum überhaupt existiert und man getrost sagen, dass der Einfluss der Gezeiten zu vernachlässigen ist.

Ist der Planet aber näher am galaktischen Zentrum oder befindet er sich weiter entfernt von seinem Stern, dann kann das anders aussehen. Beobachtungen, die in den letzten Jahren gemacht worden sind, zeigen, dass es auch näher am Zentrum Planeten gibt. Und auch wenn bisher noch kaum Planeten beobachtet worden sind, die sich sehr weit (einige 1000 AE) von ihrem Stern entfernt befinden (das liegt an den derzeit verwendeten Beobachtungsmethoden) ist es durchaus möglich, dass viele davon existieren. Während der turbulenten Phase der Planetenentstehung können Planeten aus den inneren Bereichen eines Planetensystems weit hinaus in die äußeren Regionen geschleudert werden.

Veras und Evans haben deshalb auch ausgerechnet, wie die galaktischen Gezeiten solche Planeten beeinflussen würden. So sehen die Ergebnisse aus:

Das Bild zeigt die Veränderung der Bahnexzentrizität (d.h. die Abweichung der Bahn von der Kreisform) im Lauf der Zeit. Der betrachtete Planet befindet sich immer 1000 AE von seinem Stern entfernt. Die verschiedenen Kurven beschreiben Planetensysteme, die sich verschieden weit vom galaktischen Zentrum entfernt befinden. Planetensysteme die sich in den äußeren Regionen einer Galaxie befinden, zeigen fast gar keine Störungen. Erst wenn man sich dem Zentrum nähert, sind die Effekte spürbar und die Bahnen werden immer weniger kreisförmig und damit auch immer instabiler (je ovaler eine Bahn ist, desto größer wird die Chance, dass der Planet die Bahn eines anderen Planeten kreuzt und beide kollidieren).

Natürlich hängt viel von der Ausgangssituation ab. Ich habe oben erwähnt, dass die Neigung des Planetensystems in Bezug auf die galaktische Ebene eine Rolle spielt. Es gibt keinen prinzipiellen Grund, warum sich Planetensysteme entlang einer bestimmten Ebene orientieren sollen. Die vielen extrasolaren Systeme sind daher vermutlich alle irgendwie geneigt; die Inklination ist zufällig verteilt. Unsere Sonnensystem ist immerhin 60 Grad gegenüber der galaktischen Ebene geneigt und das ist auch der Wert, den Veras und Evans bei ihrer Rechnung verwendet haben. Aber auch anderer Parameter (die exakte Orientierung der Bahn im Raum) können die Wirkung der Gezeiten beeinflussen.

Das Bild oben zeigt den Einfluss der galaktischen Gezeiten in den äußeren Bereichen der Galaxie. Im Zentrum, im Bulge also, sieht das alles nochmal ganz anders aus. Das nächste Bild zeigt die Ergebnisse von identischen Berechnungen wie oben. Aber diesmal befindet sich der Planet nur zwischen 0,05 und 2 Kiloparsec vom galaktischen Zentrum entfernt:

Je näher der Planet sich am galaktischen Zentrum befindet, desto kürzer ist die Periode der Störung. Die schwarze Kurve entspricht einem Planeten, dessen Stern sich nur 50 Parsec vom Zentrum entfernt entspricht!

Bei solchen Planeten spielen die galaktischen Gezeiten also eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der Stabilität. Noch kennen wir keine solchen Planetensysteme und können die Berechnungen von Veras und Evans nicht anhand von Beobachtungen überprüfen. Aber auch das wird nur noch eine Frage der Zeit sein. Das galaktische Zentrum ist zwar notorisch schwer zu beobachten, da große Wolken aus Gas und Staub den Blick verstellen. Aber ich bin sicher, dass die Astronomen über kurz oder lang auch hier eine Möglichkeit finden werden, Planeten zu entdecken. In ein paar Jahrzehnten werden wir einen vernünftigen Überblick über alle Planeten unserer Milchstraße haben. Und dann auch den Einfluss der galaktischen Gezeiten genau beobachten können.