Eine Illustration zeigt einen Super-Erde-Exoplaneten, dessen Wasser bei der Annäherung an seinen Mutterstern verdampft.(Bildnachweis: Thomas Müller (MPIA))
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass einige Planeten schon früh in ihrem Leben in Richtung des Herzens ihres Planetensystems wandern, was möglicherweise das Fehlen von Planeten erklärt, die etwa doppelt so breit wie die Erde sind.
Im Laufe der Jahre ist es Wissenschaftlern gelungen, viele Exoplaneten zu beobachten, die entweder kleiner oder größer als die Erde sind, aber Planeten, die genau zwischen dem 1,6- und 2,2-fachen der Größe unserer Welt liegen, sind relativ selten. Vor allem Exoplaneten, die als Supererden oder Mini-Neptune definiert werden, scheinen im Weltraum zu fehlen. Als solche werden sie eingestuft, wenn sie etwas größer als doppelt so groß wie unser Planet, aber immer noch kleiner als der Eisriese Neptun sind.
Das Fehlen dieser Planeten ist als „Radius-Tal“ oder „Radius-Lücke“ bekannt geworden und hat die Wissenschaftler lange Zeit beunruhigt.
Neue Forschungsergebnisse deuten nun darauf hin, dass die „fehlenden“ Supererden und Mini-Neptunplaneten möglicherweise nur unterschiedliche Wege aus dem Radius-Tal genommen haben.
„Vor sechs Jahren zeigte eine Neuanalyse der Daten des Kepler-Weltraumteleskops einen Mangel an Exoplaneten mit einer Größe von etwa zwei Erdradien“, sagte Remo Burn, ein Exoplaneten-Experte am Max-Planck-Institut für Astronomie, in einer Erklärung.
Wissenschaftler wissen seit vielen Jahren, dass sich Planeten nach ihrer Entstehung entweder auf ihre Muttersterne zu- oder von ihnen wegbewegen können, aber bisher war nicht bekannt, wie effektiv diese Wanderung bei der Entstehung des Radius-Tals sein würde.
Die gängigste Erklärung für das Tal, so Burn, hat damit zu tun, dass die Sterne die Planeten, die sie eng umgeben, bestrahlen, wodurch die Atmosphären dieser Welten abgestreift werden und sie schrumpfen. Diese Theorie allein war für ihn jedoch nicht zufriedenstellend. „Diese Erklärung vernachlässigt den Einfluss der Planetenwanderung“, erklärte er.
Burn leitete daher ein Forscherteam, das untersuchen wollte, ob die Planetenwanderung die Standarderklärung ergänzen und eine weitere Erklärung dafür liefern könnte, warum so wenige Supererden und Mini-Neptune in der Nähe ihrer Sterne kreisen.
Super-Erden schrumpfen, während Sub-Neptunen wachsen
Da die beiden Planeten, die die Radiuslücke besetzen, Super-Erden und Mini-Neptunen, beide nicht im Sonnensystem vorkommen, können Wissenschaftler keinen von ihnen aus der Nähe untersuchen. Die Forscher sind sich jedoch ziemlich sicher, dass es sich bei den Supererden um felsige oder terrestrische Planeten handelt, während die Eigenschaften der Mini-Neptune weit weniger sicher sind.
Die Wissenschaftler sind sich auch darin einig, dass Mini-Neptune, auch Sub-Neptune genannt, Atmosphären haben sollten, die weit über die von Gesteinsplaneten hinausgehen.
Burn und sein Team wollten wissen, ob diese Tatsache bei der Entstehung des Radius-Tals eine Rolle spielen könnte und ob die Existenz dieses Tals auf eine sehr unterschiedliche Entstehung und Entwicklung von Super-Erden und Mini-Neptunen hinweisen könnte.
Bei einer erneuten Analyse einer Simulation, die das Team im Jahr 2020 durchführte, berücksichtigten Burn und seine Kollegen die Prozesse in den Gas- und Staubscheiben, die junge Sterne umgeben und aus denen neue Planeten entstehen, die Entstehung von Atmosphären und die Wanderung von Planeten.
Entscheidend für die Simulation und die Entwicklung einer möglichen Lösung für das Radius-Tal – die auch die Planetenwanderung berücksichtigt – war es, zu verstehen, wie sich Wasser in einem breiten Druck- und Temperaturbereich verhält. Denn diese Parameter ermöglichen eine realistischere Berechnung des Verhaltens von Sub-Neptunen.
„Es ist bemerkenswert, wie, wie in diesem Fall, physikalische Eigenschaften auf molekularer Ebene große astronomische Prozesse wie die Bildung von Planetenatmosphären beeinflussen“, sagte Teammitglied und MPIA-Direktor Thomas Henning in der Erklärung.
Eine Verteilung von Exoplanetengrößen, die eine Lücke bei Planeten zwischen dem 1,6- und 2,2-fachen der Erdgröße zeigt. (Bildnachweis: R. Burn, C. Mordasini / MPIA)
Das Team fand heraus, dass die Annäherung an einen Mutterstern drastisch unterschiedliche Auswirkungen auf Supererden und Mini-Neptunes hat.
Mini-Neptunes werden fern von ihren Muttersternen in den eisigen Außenregionen ihrer Systeme geboren. Während einige dieser Planeten an diesem Geburtsort verbleiben und nur geringe Strahlungsdosen von ihrem Stern erhalten, würde bei Mini-Neptunen, die in Richtung ihres Sterns wandern, das eisige Material auftauen, stellte das Team fest.
Dadurch würde eine dicke Wasseratmosphäre um diese Exoplaneten entstehen, wodurch sich ihre Radien vergrößern und ihre Breite über die Planeten in der Radiuslücke hinaus verlagern würden. Dies ist möglich, weil die derzeitigen Beobachtungen von Welten außerhalb des Sonnensystems bei der Berechnung der Breite nicht zwischen der Atmosphäre eines Exoplaneten und seinen festen Bestandteilen unterscheiden können. Dieser Effekt, so schätzen die Wissenschaftler, verursacht eine Spitze bei Exoplaneten, die 2,4 Mal so groß sind wie die Erde.
Andererseits würden Supererden, die entweder auf ihren Wirtsstern zuwandern oder ganz in der Nähe geboren werden, durch die intensive Strahlung ihres Sterns ihre Atmosphären verlieren. Das würde die Welten dazu zwingen, ihre Atmosphäre zu verlieren und kleiner zu werden. Dieser Effekt, so das Team, würde einen nackten felsigen Kern erzeugen und einen Höhepunkt der Exoplanetengröße bei der 1,4-fachen Größe der Erde verursachen.
Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass sich die Mini-Neptune in die eine Richtung aus dem Radius-Tal herausbewegen, während die Super-Erden es über den entgegengesetzten Ausgang verlassen. Und beide Mechanismen führen zu einem Mangel an Planeten, die doppelt so breit sind wie die Erde.
Die Simulationen des Teams, mit denen dieses Rätsel möglicherweise entschlüsselt werden kann, könnten auch Auswirkungen auf andere Bereiche der Exoplanetenforschung haben.
„Wenn wir unsere Ergebnisse auf kühlere Regionen ausdehnen, in denen Wasser flüssig ist, könnte dies auf die Existenz von Wasserwelten mit tiefen Ozeanen hindeuten“, sagte Christoph Mordasin, Teammitglied und Leiter der Abteilung für Weltraumforschung und Planetenwissenschaften an der Universität Bern, in der Erklärung. „Solche Planeten könnten potenziell Leben beherbergen und wären aufgrund ihrer Größe relativ einfache Ziele für die Suche nach Biomarkern.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 9. Februar in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
