Eine Illustration zeigt drei Exoplaneten in unterschiedlichen Abständen um einen Stern, die unterschiedlichen Strahlungsintensitäten und Gravitationskräften ausgesetzt sind, die ihre Atmosphären unterschiedlich schnell abtragen.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Ein Wissenschaftler hat mehr über die gewalttätigen Prozesse erfahren, die die Atmosphären von Planeten wegreißen, und herausgefunden, dass die Quetschung und der Druck eines Muttersterns zu diesem Prozess beitragen können.
Die von Guo Jianheng von den Yunnan-Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführten Forschungen könnten Astronomen dabei helfen, besser zu bestimmen, welche extrasolaren Planeten oder „Exoplaneten“ sie bei ihrer Suche nach Leben jenseits des Sonnensystems genauer unter die Lupe nehmen sollten.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie Planeten ihre Atmosphären in den Weltraum verlieren können, einschließlich der oberen Atmosphäre, die den Planeten als Ganzes verlässt, was als „hydrodynamisches Entweichen“ bezeichnet wird. Man geht davon aus, dass dieser Prozess extremer ist als der Prozess, durch den die Planeten unseres Sonnensystems heute Teilchen in den Weltraum entweichen lassen, und zwar durch „hydrodynamisches Entweichen“, wodurch ein Planet nicht nur an Masse verliert, sondern auch Auswirkungen auf sein Klima und damit auf seine Bewohnbarkeit hat.
simulierte Jianheng den Verlust der Atmosphäre von massearmen Exoplaneten. Insbesondere konzentrierte sich Jianheng auf den hydrodynamischen Mechanismus des Atmosphärenverlusts durch Entweichen und schlug eine neue Klassifizierungsmethode vor, die zum Verständnis dieses und anderer Entweichungsprozesse verwendet werden kann.
Auch wenn er bei den inneren Planeten um die Sonne nicht mehr auftritt, kann es in der Frühzeit des Sonnensystems bei Planeten wie der Venus und der Erde tatsächlich zu einem hydrodynamischen Entweichen der Atmosphäre gekommen sein. Hätte sich dieser Prozess fortgesetzt, wäre auf unserem Planeten möglicherweise nur eine dünne, weitgehend wasserlose Atmosphäre zurückgeblieben, ähnlich der, die wir um unseren planetarischen Nachbarn Mars sehen.
Das bedeutet, dass das Verständnis des hydrodynamischen Entweichens der Atmosphäre dazu beitragen kann, zu verstehen, warum die Erde in der Lage ist, Leben zu beherbergen, Mars und Venus jedoch nicht.
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Auch wenn hydrodynamisches Entweichen der Atmosphäre derzeit nicht die Atmosphären des Sonnensystems zerstört, haben Astronomen mit Hilfe von Weltraum- und Bodenteleskopen festgestellt, dass diese Prozesse in der Nähe von Exoplaneten in der Nähe ihrer Wirtssterne tatsächlich ablaufen.
Kleinere Planeten haben einen Gewichtsverlust-Vorteil
Jianheng führte Computersimulationen von massearmen Exoplaneten durch, die ergaben, dass bei Planeten mit wasserstoffreichen Atmosphären ein hydrodynamischer Atmosphärenaustritt als Folge ihrer internen Energieprozesse auftreten könnte.
Diese Energie manifestiert sich als innere Wärme und wird durch die Gezeitenkräfte erzeugt, die den Planeten zusammendrücken – Kräfte, die durch die Schwerkraft ihrer Muttersterne und den Beschuss mit intensiver ultravioletter Strahlung von diesen Sternen verursacht werden. Manchmal können diese Kräfte die Planeten sogar zu einer eiförmigen Gestalt verformen.
Bisher wurden Modelle verwendet, um die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die die hydrodynamische Flucht antreiben, aber diese Modelle waren komplex und führten oft zu unklaren Schlussfolgerungen.
Jianheng hingegen vertritt die Ansicht, dass die physikalischen Parameter, die zur Klassifizierung der Mechanismen hinter der hydrodynamischen Flucht benötigt werden, einfach sind. Man muss sich nur die Eigenschaften der beteiligten Planeten und Sterne vor Augen führen, sagt der Forscher, wie etwa ihre Masse, ihren Radius und den Abstand zwischen Planet und Stern auf der Umlaufbahn.
Eine Illustration der Mechanismen, die dazu führen können, dass Planeten ihre Atmosphären verlieren. (Bildnachweis: GUO Jianheng)
Die von Jianheng durchgeführten Simulationen ergaben, dass bei „aufgeblähten“ und weniger dichten Exoplaneten, d. h. solchen mit geringer Masse und großen Radien, ausreichend hohe innere Temperaturen zum Entweichen der Atmosphäre führen können. Anhand des Verhältnisses zwischen der inneren Energie eines Planeten und seiner potenziellen Gravitationsenergie, dem so genannten „Jeans-Parameter“, lässt sich feststellen, ob ein Planet aus der Atmosphäre entweichen könnte. Je kleiner der Jeans-Parameter ist, desto wahrscheinlicher ist ein Entweichen der Atmosphäre.
Jianheng fand heraus, dass ein modifizierter Jeans-Parameter, der die von den Sternen erzeugten Gezeitenkräfte berücksichtigt, die Rolle dieser Kräfte und der extremen ultravioletten Strahlung für das Entweichen der Atmosphäre bei Planeten, die aufgrund ihrer hohen inneren Energie nicht hydrodynamisch entweichen können, bestimmen und unterscheiden kann.
Die Simulation zeigte auch, dass Planeten mit geringer Masse und hohem Gravitationspotenzial, das sich aus der größeren Entfernung zwischen einem Planeten und seinem Stern sowie der geringeren Strahlung ergibt, mit der eine solche Welt bombardiert wird, zu einem langsameren hydrodynamischen Entweichen der Atmosphäre führen.
Die Ergebnisse könnten den Wissenschaftlern helfen, besser zu bestimmen, wie sich die Atmosphären massearmer Planeten im Laufe der Zeit verändern, und so ein besseres Bild von der Bewohnbarkeit dieser Welten zu zeichnen.
Diese Forschung wurde am 9. Mai in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
