Zwischen Scylla und Charybdis

Die beiden einzigen halbwegs gesicherten Exomond-Kandidaten haben eine Gemeinsamkeit: Beide umkreisen nicht nur große Gasriesen und sind selbst ziemliche Schwergewichte – ihre Planeten haben auch einen relativ großen Abstand zu ihrem Stern. Und das ist wahrscheinlich kein Zufall. Denn damit ein Mond stabil in seinem Orbit bleiben kann, muss er sich zwischen zwei eng gesteckten Grenzen bewegen. Und wo diese liegen, hängt sowohl von der Masse des Planeten als auch von seiner Nähe zum Stern ab.

Abstand halten ist ratsam

Die erste Grenze wird vom Planeten gesetzt: Seine Gravitation hält den Mond fest in seiner Bahn, solange sich planetare Anziehungskraft und die Zentrifugalkraft des umkreisenden Mondes die Waage halten. Kreist der Mond zu weit außen, kann er leicht durch äußere Störeinflüsse weggeschleudert werden, kreist er hingegen zu weit innen, droht ihm die Zerstörung. Denn die sogenannte Roche-Grenze markiert den Bereich, ab dem die vom Planeten verursachten Gezeitenkräfte so groß sind, dass sie den Mond auseinanderzureißen beginnen.

Ein Mond nahe an diesem Limit könnte der Marsmond Phobos sein: Er hat sich in seiner spiralig enger werdenden Bahn dem Roten Planeten schon so weit angenähert, dass die Marsschwerkraft allmählich seine strukturelle Integrität angreift. Astronomen gehen davon aus, dass der ohnehin eher lose und poröse Marsmond irgendwann auseinanderbrechen könnte – das wird allerdings wohl erst in mehreren Millionen Jahren der Fall sein. Auch der Orbit des Neptunmonds Triton ist nicht stabil und könnte den Eismond in ferner Zukunft bis an das Roche-Limit heranbringen.

Ein Drei-Körper-Problem

Die zweite Grenze ist die sogenannte Hill-Sphäre. Sie beschreibt den Bereich, bis zu dem die festhaltende Schwerkraft eines Planeten gegenüber der Gravitation seines Sterns überwiegt. Bewegt sich ein Mond an der Außengrenze dieser Sphäre oder sogar jenseits davon, kann er sehr leicht aus seiner Bahn geworfen und weggeschleudert werden. Wo die Grenze dieser Hill-Sphäre liegt, hängt von der Masse und dem Abstand von Planet und Stern ab.

Beim Erdmond besteht kaum Gefahr: Sein Orbit liegt mit 380.000 Kilometern Erdabstand weit innerhalb der Hill-Sphäre der Erde, die bis zu 1,5 Millionen Kilometer weit ins All hinaus reicht. Anders ist dies jedoch für den innersten Planeten im Sonnensystem: Der Merkur hat eine Hill-Sphäre von nur gut 200.000 Kilometern – für einen Mond ist da zwischen Roche-Limit und Hill-Radius nicht viel Platz.

Hinzu kommt: Sternennahe Planeten bewegen sich meist in gebundener Rotation um ihren Stern – sie drehen sich nur langsam und kehren dem Stern immer die gleiche Seite zu. Dadurch jedoch bremsen sie auch die Bewegung von Monden in ihrem Orbit. Die Schwerkraft-Wechselwirkungen führen dazu, dass ein Mond um solche langsam rotierenden Planeten immer langsamer wird und immer tiefer sinkt. Als Folge stürzt ein Mond über kurz oder lang auf seinen Planeten oder wird am Roche-Limit von dessen Gezeitenkräften zerrissen.

Mehr Chancen bei äußeren Planeten

Was aber bedeutet dies für die Suche nach extrasolaren Monden? Die Astronomin Vera Dobos von der Universität Groningen und ihre Kollegen haben das im Jahr 2020 am Beispiel von gut 4.000 bisher bekannten Exoplaneten untersucht. Dafür ermittelten sie anhand von planetarer und stellarer Masse sowie dem Abstand von Planet und Stern die Hill-Sphäre und simulierten dann mit einem Modell, ob und wie lange ein Mond im Orbit um einen solchen Exoplaneten erhalten bleiben würde.

Das Ergebnis: „Der wichtigste Faktor für das Überdauern eines Exomonds ist die Umlaufbahn seines Planeten: Für die meisten Exoplaneten mit Umlaufzeiten von weniger als zehn Tagen gibt es keinen stabilen Mondorbit“, berichten Dobos und ihr Team. „Im Bereich von zehn bis 300 Tagen steigt die Überlebensrate dann langsam von Null auf etwa 70 Prozent an.“ Mit anderen Worten: Wenn wir nach Exomonden suchen, dann sollten wir vor allem massereiche, weit außen kreisende Planeten ins Visier nehmen – wie Kepler-1626b oder Kepler-1708b.

Schwierige Fahndung

Das Problem jedoch: Solche weiter von ihrem Stern entfernten Planeten sind mit gängigen Methoden nur schwer zu beobachten und noch schwerer auf Monde hin zu untersuchen. Denn die langen Umlaufzeiten solcher Planeten machen Transits sehr selten – sie einzufangen ist fast schon ein Glücksfall. Zudem sind diese Exoplaneten so weit von ihrem Stern entfernt, dass sie ihren Stern nur sehr schwach zum „Taumeln“ bringen. Den Effekt ihrer Monde über die Radialgeschwindigkeit zu messen, ist nahezu unmöglich.

Es ist daher kein Zufall, dass die ersten Exomond-Kandidaten massereiche Giganten von der mehrfachen Erdmasse sind: Nur ihr Effekt war stark genug, um von unseren Teleskopen aufgespürt zu werden. „Die ersten Entdeckungen sind daher die Sonderlinge – solche Riesen sind diejenigen, die für uns am einfachsten zu finden sind“, sagt der US-Astronom David Kipping.

Das allerdings könnte sich durch das neue James-Webb-Weltraumteleskop der NASA ändern. Denn seine Spektroskope sind so hochauflösend, dass sie auch das Signal kleinerer Exomonde aufspüren könnten. „Das ist ein Kinderspiel für Webb“, erklärt Kipping. „Es kann extrasolare Monde finden, die kleiner sind als der Jupitermond Europa.“