Eine Illustration des „Neptunschen Rückens“, eines neuen Merkmals in der Exoplanetenforschung (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Astronomen haben ein neues Merkmal in der Verteilung von Planeten jenseits des Sonnensystems entdeckt, und diese Entdeckung könnte uns helfen, die Dynamik zu verstehen, die die Entstehung von Exoplaneten in der Nähe ihrer Sterne bestimmt.
Die Entdeckung, die von einem Team von Wissenschaftlern der Universität Genf, der Planetengruppe des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) und des Centro de Astrobiología (CAB) gemacht wurde, wird als „Neptunischer Rücken“ bezeichnet. Der neptunische Rücken ist eine Besonderheit in der Verteilung der Exoplaneten von Neptungröße, die zwischen der so genannten „neptunischen Wüste“, in der es keine neptunischen Planeten in der Nähe ihres Sterns gibt, auch bekannt als „heiße Neptune“, und der „neptunischen Savanne“, in der es eine Fülle dieser Welten in größerer Entfernung zu ihrem Stern gibt, liegt.
Die neptunische Wüste ist für Astronomen und Planetenforscher seit langem ein Rätsel, das auf seltsame Eigenheiten in der Entwicklung von Planetensystemen hinweist.
„Wir haben eine Überdichte von Planeten in dieser Region gefunden, was auf einen scharfen Übergang zwischen der kargen neptunischen Wüste und der stärker bevölkerten neptunischen Savanne hinweist“, sagte Vincent Bourrier, Assistenzprofessor am Fachbereich Astronomie der UNIGE-Fakultät für Naturwissenschaften und Mitautor der Studie, in einer Erklärung.
Dieser neu identifizierte Grat markiert eine kritische Zone, in der es den Planeten gelungen ist, nach innen zu wandern und gleichzeitig der intensiven Strahlung in der Nähe ihrer Sterne zu widerstehen.
Die Wüste, der Gebirgskamm und die Savanne
Um zu verstehen, woher das Konzept der neptunischen Wüste stammt, lohnt es sich zu überlegen, wie Wissenschaftler manchmal Planeten außerhalb des Sonnensystems kategorisieren. Seit der Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten Mitte der 1990er Jahre haben Wissenschaftler über 6.000 Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt, und Tausende weitere warten auf ihre Bestätigung.
Exoplaneten können sehr unterschiedlich groß und schwer sein und in verschiedenen Entfernungen von ihren Sternen existieren. Normalerweise werden sie mit Welten innerhalb des Sonnensystems verglichen, damit Wissenschaftler einige ihrer Eigenschaften verstehen können. So sind „Super-Jupiter“ Planeten, die massereicher sind als Jupiter, Super-Erden sind massereicher als die Erde, und Sub-Neptune sind Planeten, die kleiner sind als Neptun.
Die Vorsilbe „heiß“ beschreibt einen Planeten, der nahe genug an seinem Stern ist, um eine Umlaufbahn in nur wenigen Tagen oder sogar Stunden zu vollenden.
Wenn man einen Planeten in dieser Hinsicht als „Neptun“ bezeichnet, bedeutet das nicht, dass es sich um einen Eisriesen handelt, wie unseren eigenen Neptun. Ebenso müssen Supererden nicht unbedingt terrestrische Planeten sein – sie könnten auch kleine Gasplaneten sein. Bei „Super-Jupitern“ und „heißen Jupitern“ handelt es sich jedoch aufgrund ihrer enormen Größe eher um Gasriesen wie Jupiter.
Eine Illustration zeigt die Atmosphäre eines heißen Jupiters, die durch die Strahlung seines Sterns zerstört wird (Bildnachweis: NASA/CXC/M.Weiss)
Als die Wissenschaftler begannen, Exoplaneten anhand ihrer Größe und der Zeit, die sie brauchen, um ihren Stern zu umkreisen, zu bestimmen, ergaben sich viele merkwürdige und faszinierende Muster der Planetenverteilung. Eines davon war das Fehlen von Welten in Neptungröße, die in der Nähe ihrer Sterne kreisen: heiße Neptune.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieses Fehlen darauf zurückzuführen ist, dass in der Nähe von Sternen die Atmosphäre der Planeten durch die starke Strahlung abgetragen wird, wodurch sie „schrumpfen“. Dieser Prozess wird als Photoverdampfung bezeichnet.
Außerdem gibt es jenseits der kargen Landschaft der neptunischen Wüste eine Region, in der Welten in Neptungröße in Hülle und Fülle zu finden sind. Das ist die neptunische Savanne. Hier, in größerer Entfernung von ihren Sternen, können die Welten ihre Atmosphären bewahren und ihre Größe beibehalten. Es wird vermutet, dass neptunische Planeten, die sich in der neptunischen Savanne aufhalten, von ihren weiter entfernten Standorten in die neptunische Wüste wandern, wo sie näher an ihre Sterne herankommen und schnell ihrer Atmosphären beraubt werden.
Um zu verstehen, wie sich die neptunische Wüste und Savanne entwickelt haben, nutzten Bourrier und Kollegen Daten des Kepler-Weltraumteleskops der NASA. Sie definierten genaue Regionen der „neptunischen Landschaft“ und fanden eine ausgeprägte Region zwischen der Wüste und der Savanne, die einer Umlaufzeit von 3,2 bis 5,7 Erdtagen entspricht. Sie nannten diese Region den „neptunischen Kamm“ und stellten fest, dass sie einige der komplizierten Prozesse der neptunischen Planetenwanderung offenbart.
Ein Diagramm, das die Verteilung von Exoplaneten mit neptunähnlicher Größe zeigt und die heiße neptunische Wüste markiert (Bildnachweis: NASA, ESA und A. Feild (STScI))
„Der neptunische Bergrücken erhebt sich über die Wüste und die Savanne“, sagte Bourrier. „Er liefert uns einen Schlüssel zum Verständnis der physikalischen Mechanismen, die die Wüste formen.“
Die Tatsache, dass dieser Grat existiert, deutet darauf hin, dass einige Planeten von Neptungröße durch eine Art von Bewegung, die „hochexzentrische Migration“ genannt wird, in diese Region gebracht werden. Dies geschieht später im Leben eines Planeten und ermöglicht es einer Welt, die Erosion ihrer Atmosphäre durch die Strahlung ihres Sterns zu überleben.
Diese Migrationsprozesse und die Photoverdunstung der Atmosphäre sind wahrscheinlich die Ursache für die neptunische Wüste, den Gebirgskamm und die Savanne in der neptunischen Landschaft.
Das Team wird sich nun dem Very Large Telescope (VLT) und seinem ESPRESSO-Instrument (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations) zuwenden, um mehr über die neptunische Wüste, Savanne und den Bergrücken zu erfahren.
Dies sollte es den Forschern ermöglichen, die Ausrichtung einer Stichprobe seltener heißer Neptune zu untersuchen. Die Kenntnis der Ausrichtung eines Planeten ist wichtig, da sie ein Faktor für das Verständnis des Migrationsprozesses von Exoplaneten ist, d. h. sie ist ein entscheidender Teil der fehlenden Informationen über die Entwicklung von Planeten in der Nähe und darüber, warum sie in der Regel nicht die Größe eines Neptuns haben.
„Der neptunische Grat ist nur der Anfang“, sagte der Erstautor der Studie, Amadeo Castro-González, Doktorand am Zentrum für Astrobiologie in Madrid, in der Erklärung. „Mit den kommenden Ergebnissen dieses Beobachtungsprogramms werden wir in der Lage sein, unsere Hypothesen über den Ursprung und die Entwicklung dieser faszinierenden Welten zu überprüfen und einen umfassenderen Blick auf die nahe neptunische Landschaft zu werfen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Dienstag (17. September) in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
