Astronomen haben lange vermutet, dass die Masse eines Planeten und seine Rotationsgeschwindigkeit zusammenhängen. In unserem eigenen Sonnensystem liefern Jupiter und Saturn eindrucksvolle Beispiele. Trotz ihrer enormen Größe vollenden beide eine vollständige Rotation in etwa 10 Stunden und tragen einen großen Teil der gesamten Rotationsenergie des Sonnensystems.

Um zu testen, ob diese Beziehung über unsere kosmische Nachbarschaft hinausgeht, nutzten Forscher das W. M. Keck-Observatorium auf Maunakea, Hawai'i, um eine große Stichprobe entfernter Riesenwelten zu untersuchen. Ihre Untersuchung umfasste 32 Gasriesen und Braune-Zwerg-Begleiter in anderen Sternsystemen, darunter 6 Planeten, die größer als Jupiter sind, und 25 Braune-Zwerg-Begleiter.

Die Beobachtungen zeigten einen faszinierenden Trend. Wenn Faktoren wie Masse, Größe und Alter berücksichtigt werden, neigen riesige Gasplaneten dazu, schneller zu rotieren als massereichere Braune Zwerge. Um ihre Analyse zu untermauern, bezogen die Forscher auch frühere Rotationsmessungen aus anderen Studien ein und erstellten so einen sorgfältig ausgewählten Datensatz, der 43 stellare/substellare Begleiter und Riesenplaneten sowie 54 frei schwebende Braune Zwerge und planetare Massenobjekte umfasste.

Das internationale Team wurde von Wissenschaftlern des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) der Northwestern University geleitet. Zu den Mitarbeitern gehörten Forscher des Center for Astrophysics and Space Sciences (CASS) an der UC San Diego, der Division of Geological & Planetary Sciences (GPS) am Caltech, des W. M. Keck-Observatoriums, des Steward Observatory, des James C. Wyant College of Optical Sciences, des Jet Propulsion Laboratory der NASA und mehrerer anderer Institutionen. Ihre Ergebnisse wurden im Astronomical Journal veröffentlicht.

Viele der untersuchten Planeten umkreisen ihre Sterne in Entfernungen von Dutzenden bis Hunderten von Astronomischen Einheiten (AE), dem Abstand zwischen Erde und Sonne. Wissenschaftler versuchen noch herauszufinden, wie diese fernen Welten entstehen. Einige könnten allmählich in Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne entstehen, während andere durch einen Prozess entstehen könnten, der dem Kollaps ähnelt, der Sterne selbst hervorbringt.

Um dies zu untersuchen, verwendeten die Forscher das Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), ein spezialisiertes Instrument, das in der Lage ist, Licht, das direkt von diesen fernen Welten kommt, zu isolieren. Wenn ein Planet rotiert, verursachen Merkmale in seiner Atmosphäre eine leichte Verbreiterung seines Spektrums. Durch die Messung dieser Veränderungen können Astronomen bestimmen, wie schnell sich das Objekt dreht.

Der Hauptautor Dino Chih-Chun Hsu, ein Forscher am CIERA, erklärte die Bedeutung dieser Messungen in einer Pressemitteilung des W. M. Keck-Observatoriums: „Spin ist ein Fossilienbestand, der zeigt, wie ein Planet entstanden ist. Indem wir messen, wie schnell sich diese Welten drehen, können wir beginnen, die physikalischen Prozesse zu rekonstruieren, die sie vor Dutzenden bis Hunderten von Millionen Jahren geformt haben. Mit KPIC können wir diese winzigen Signale erkennen, die die Rotation eines Planeten um andere nahe Sterne verraten. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl die Masse des Planeten als auch das Verhältnis zwischen der Masse des Planeten und der Masse seines Sterns beeinflussen, wie schnell sich der Planet letztendlich dreht. Das hilft uns, die Physik der Entstehung dieser Systeme einzugrenzen.“

Ein Riesenplanet übertrifft einen viel größeren Nachbarn

Eines der deutlichsten Beispiele stammt vom System HR 8799. Dort rotiert ein Gasriese mit etwa der 7-fachen Jupitermasse sechsmal schneller als ein Brauner-Zwerg-Begleiter mit etwa der 24-fachen Jupitermasse.

Die Forscher glauben, dass der Unterschied mit magnetischen Wechselwirkungen in der frühen Geschichte der Objekte zusammenhängen könnte. Ein stärkeres Magnetfeld kann intensiver mit der umgebenden zirkumplanetaren Scheibe interagieren und die Rotation im Laufe der Zeit verlangsamen. In diesem Fall hat der massereichere Braune Zwerg aufgrund seines stärkeren Magnetfelds wahrscheinlich mehr von seinem ursprünglichen Spin verloren.

Die Erkenntnisse helfen Wissenschaftlern, nicht nur ferne Planetensysteme, sondern auch die Ursprünge unseres eigenen Sonnensystems besser zu verstehen. Hsu sagte: „Die Art und Weise, wie der Drehimpuls unter den Planeten verteilt ist, beeinflusst die Gesamtarchitektur eines Planetensystems.“