Ein Exo-Neptun übertraf alle Widrigkeiten und behielt seine Atmosphäre

Als Wissenschaftler auf Planetensuche immer mehr Planeten finden, sind sie auf einige Rätsel gestoßen. Einer davon betrifft das Fehlen neptungroßer Welten, die in der Nähe ihrer Sterne kreisen. Astronomen gehen davon aus, dass diese Planeten nicht massereich genug sind, um ihre Atmosphäre angesichts der starken Strahlung ihrer Sterne zu bewahren, die sie ihr entzieht.

Aber mindestens einer dieser Planeten hat seine Atmosphäre behalten. Wie?

Astronomen haben einen Namen für dieses Fehlen neptungroßer Planeten in der Nähe von Sternen. Sie nennen sie die Neptunische Wüste oder manchmal auch die „Verdunstungswüste“.

Der Begriff ist nur weit gefasst und wird üblicherweise als die Region beschrieben, die einem Stern so nahe ist, dass die Umlaufzeit nur zwei bis vier Tage beträgt. Es wird auch durch das Fehlen von Planeten in Neptungröße mit etwa einem Zehntel der Masse Jupiters definiert. Typischerweise verlieren Planeten ihre Atmosphäre, wenn sie so nah an Sterne heranwandern, und werden auf nur noch felsige Kerne reduziert, bloße Überreste ihres einst aufgedunsenen Selbst.

Ein Planet, der seine Atmosphäre in der Neptunischen Wüste bewahrt hat, ist LTT 9779 b. Er umkreist einen etwa 260 Lichtjahre entfernten G-Stern. Er hat 29 Erdmassen und hat seine Atmosphäre behalten, obwohl er nur 0,01679 AE von seinem Stern entfernt ist und für eine Umlaufbahn nur 0,8 Tage benötigt. In dieser Situation hätte die überwältigende Strahlung des Sterns einfach die Atmosphäre des Planeten entfernen müssen. Warum nicht?

Neue Forschung machte mich daran, diese Frage zu beantworten. Der Titel lautet „Überleben in der Neptunwüste: LTT 9779 b behielt seine Atmosphäre dank eines ungewöhnlich röntgenschwachen Wirtssterns.“ Es wird im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society und ist derzeit im veröffentlicht arXiv Preprint-Server. Der Hauptautor ist Jorge Fernandez Fernandez, ein Ph.D. Student in der Gruppe Astronomie und Astrophysik an der University of Warwick.

Photoverdunstung ist ein gut verstandenes Phänomen und hängt mit der Sternrotation zusammen. Alle Sterne rotieren, und wenn sie sich schnell drehen, erzeugen sie starke Magnetfelder, die wiederum starke elektromagnetische Energie in Form von Röntgen- und UV-Strahlung antreiben. Wenn diese energiereichen Photonen auf Moleküle in der Atmosphäre eines Planeten treffen, stoßen sie die Moleküle in den Weltraum. Nur die Schwerkraft eines Planeten kann dem entgegenwirken, was erklärt, warum es in der Neptunischen Wüste so viele massereiche heiße Jupiter und fast keine Planeten gibt.

LTT 9779 b ist der einzige bekannte Planet vom Typ Neptun mit einer Umlaufzeit von weniger als einem Tag, der über eine signifikante Wasserstoff/Helium-Atmosphäre verfügt. Damit der Planet in so unmittelbarer Nähe zu seinem Stern seine Atmosphäre behalten kann, muss etwas Ungewöhnliches passieren. „Wenn die Neptunwüste das Ergebnis einer durch Röntgenstrahlung/EUV angetriebenen Photoverdampfung ist, ist es überraschend, dass die Atmosphäre von LTT 9779 b den intensiven Beschuss mit hochenergetischen Photonen seines jungen Wirtssterns überlebt hat“, schreiben die Autoren.

Die Antwort muss im Stern selbst liegen, da ein Planet dieser Größe nichts tun kann, um sich abzuschirmen. Es befindet sich direkt im Weg der starken Strahlung seines Sterns und hat nichts, was ihn abschirmen könnte. Um den Stern genauer zu untersuchen, nutzten die Forscher dieser Studie XMM-Newton, das 1999 gestartete Röntgenobservatorium der ESA.

Die Raumsonde wird auch als High Throughput X-ray Spectroscopy Mission X-ray Multi-Mirror Mission bezeichnet. Seine Mission besteht darin, interstellare Röntgenquellen zu untersuchen, und obwohl die Mission mit einer geplanten Laufzeit von zehn Jahren gestartet wurde, läuft sie auch nach fast 24 Jahren immer noch. XMM-Newton-Daten stehen im Mittelpunkt dieser Forschung.

Die Röntgenemissionen eines Sterns werden durch seinen Spin verstärkt. Eine hohe Spinrate erzeugt stärkere Magnetfelder, was zu stärkeren Röntgenemissionen führt, und eine langsamere Spinrate bedeutet schwächere Emissionen. Die Rotationsgeschwindigkeit von LT 9779 beträgt etwa 1,06 km/s und es dauert etwa 45 Tage, um eine Umdrehung abzuschließen, obwohl die Daten, die dies belegen, etwas schwach sind. Vergleichen Sie das mit der schnelleren Rotationsgeschwindigkeit der Sonne von 1,997 km/s. Das ist fast doppelt so schnell und die Sonne ist im Vergleich zu den meisten Sternen eher langsam. Heiße Sterne können oft schneller als 100 km/s rotieren. Aus dieser Perspektive dreht sich LT 9779 im Schneckentempo.

Das Alter ist ein weiterer Faktor für die Röntgenemissionen eines Sterns, und die Forscher verglichen seine Emissionen mit seinem Alter. „Wir haben LTT 9779 mit XMM-Newton beobachtet und eine Obergrenze für seine Röntgenleuchtkraft gemessen, die um den Faktor fünfzehn niedriger ist als für sein Alter erwartet“, heißt es in der Arbeit.

Die Forscher modellierten auch die innere Struktur des Planeten und wie sich diese auf seine Massenverlustgeschichte auswirkte. Sie modellierten den Radius, den Massenanteil der Hülle und die Massenverlustrate des Planeten unter zwei verschiedenen XUV-Verläufen. Einer hatte eine erwartete Sternemissionsgeschichte und einer hatte eine schwache Sternemissionsgeschichte.

Sie fanden heraus, dass „… das Überleben seiner Atmosphäre bis zum heutigen Tag mit einer ungewöhnlich schwachen XUV-Bestrahlungsgeschichte übereinstimmt, die sowohl mit den Röntgen- als auch mit den Rotationsgeschwindigkeitsmessungen übereinstimmt.“

Was ist also in diesem System passiert, dass einer seiner Planeten in der Wüste überlebt hat?

Frühere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass dieses ungewöhnliche Szenario auf eine späte Einwanderung des Planeten zurückzuführen ist, gefolgt von dem sogenannten Roche-Lobe-Überlauf. Ein Roche-Lobe-Überlauf tritt typischerweise in Doppelsternsystemen auf, in denen ein Stern nicht seine gesamte Masse behalten kann und das zusätzliche Material eine Akkretionsscheibe um den zweiten Stern bildet. Aber in diesem Fall handelt es sich um einen einzelnen Stern, der Material von einem Planeten anzieht, und dieser früheren Untersuchung zufolge war der Planet ursprünglich ein Planet mit Jupitermasse, der einen Großteil seiner Materie an den Stern verlor und den Neptun-großen LTT 9779 b zurückließ .

Laut dieser Arbeit ist diese Erklärung jedoch nicht haltbar. Diese Forscher kamen zu einem anderen Schluss, der keine Migration beinhaltet.

„Wir kommen zu dem Schluss, dass sich LTT 9779 höchstwahrscheinlich als ungewöhnlich langsam rotierender Stern gebildet hat und dass sein naher Neptun-großer Planet LTT 9779 b aufgrund der ungewöhnlich geringen Röntgenstrahlung bis heute in der Neptunwüste überleben konnte.“ Strahlung“, schreiben sie in ihrem Fazit.

Weitere unterstützende Beweise stammen aus der Atmosphäre des Planeten selbst. Es hat eine extrem hohe Metallizität und schwerere Moleküle lassen sich schwieriger ablösen als leichtere. Außerdem hat er eine hohe Albedo, die einen Teil der Strahlung des Sterns reflektiert. Das kann nur dazu beigetragen haben, dass LTT 9770 b seine Atmosphäre bewahrte.

Diese Forschung unterstützt die Idee, dass Photoevaporation hinter der Neptunwüste steckt. Es wäre ein unglaublicher Zufall, wenn der einzige Planet in der Neptunwüste, der seine Atmosphäre behält, sich um einen sehr langsam rotierenden Stern mit schwachen Emissionen befänden, und die schwachen Emissionen hätten nichts damit zu tun. Das würde die Glaubwürdigkeit überfordern.

„Abschließend stützt unsere Schlussfolgerung, dass der einzige bekannte Planet tief in der Neptunischen Wüste mit einer gasförmigen Hülle auch ungewöhnlich ist, weil er einen röntgenschwachen Stern hat, stark die Annahme, dass der primäre Ursprung der Neptunischen Wüste in der durch Röntgenstrahlen verursachten Photoverdampfung liegt.“ “