Ein neues Modell, das das Zusammenspiel von Kräften berücksichtigt, die auf neugeborene Planeten wirken, kann zwei rätselhafte Beobachtungen erklären, die unter den mehr als 3.800 bisher katalogisierten Planetensystemen immer wieder aufgetaucht sind.
Ein Rätsel, das als „Radius Valley“ bekannt ist, bezieht sich auf die Seltenheit von Exoplaneten mit einem Radius von etwa dem 1,8-fachen des Erdradius. Die Kepler-Raumsonde der NASA beobachtete Planeten dieser Größe etwa 2- bis 3-mal seltener als Supererden mit etwa 1,4-fachen Erdradien und Mini-Neptune mit etwa 2,5-fachen Erdradien. Das zweite Mysterium, bekannt als „Erbsen in einer Schote“, bezieht sich auf benachbarte Planeten ähnlicher Größe, die in Hunderten von Planetensystemen gefunden wurden. Dazu gehören TRAPPIST-1 und Kepler-223, die ebenfalls Planetenbahnen von nahezu musikalischer Harmonie aufweisen.
„Ich glaube, wir sind die ersten, die das Radius Valley mit einem Modell der Planetenentstehung und dynamischen Entwicklung erklären, das selbstkonsistent mehrere Einschränkungen der Beobachtungen berücksichtigt“, sagte André Izidoro von der Rice University, korrespondierender Autor einer Studie, die diese Woche in veröffentlicht wurde Die Briefe des astrophysikalischen Journals. „Wir sind auch in der Lage zu zeigen, dass ein Modell der Planetenentstehung, das riesige Einschläge beinhaltet, mit dem Erbsen-in-der-Schote-Merkmal von Exoplaneten übereinstimmt.“
Izidoro, Welch Postdoctoral Fellow bei Rice’s NASA-finanziertem CLEVER Planets-Projekt, und Co-Autoren verwendeten einen Supercomputer, um die ersten 50 Millionen Jahre der Entwicklung von Planetensystemen mithilfe eines planetaren Migrationsmodells zu simulieren. In dem Modell interagieren auch protoplanetare Scheiben aus Gas und Staub, die junge Planeten hervorbringen, mit ihnen, ziehen sie näher an ihre Muttersterne heran und schließen sie in resonanten Orbitalketten ein. Die Ketten werden innerhalb weniger Millionen Jahre unterbrochen, wenn das Verschwinden der protoplanetaren Scheibe orbitale Instabilitäten verursacht, die dazu führen, dass zwei oder mehr Planeten aufeinanderprallen.
Planetenmigrationsmodelle wurden verwendet, um Planetensysteme zu untersuchen, die ihre resonanten Orbitalketten beibehalten haben. Beispielsweise verwendeten die Kollegen von Izidoro und CLEVER Planets im Jahr 2021 ein Migrationsmodell, um die maximale Menge an Störungen zu berechnen, die das Sieben-Planeten-System von TRAPPIST-1 während des Bombardements hätte aushalten und dennoch seine harmonische Orbitalstruktur beibehalten können.
In der neuen Studie arbeitete Izidoro mit den Ermittlern von CLEVER Planets, Rajdeep Dasgupta und Andrea Isella, beide von Rice, Hilke Schlichting von der University of California, Los Angeles, sowie Christian Zimmermann und Bertram Bitsch vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Deutschland, zusammen .
„Die Migration junger Planeten in Richtung ihrer Wirtssterne führt zu einer Überfüllung und führt häufig zu katastrophalen Kollisionen, die den Planeten ihre wasserstoffreiche Atmosphäre entziehen“, sagte Izidoro. „Das bedeutet, dass riesige Einschläge, wie der, der unseren Mond geformt hat, wahrscheinlich ein generisches Ergebnis der Planetenentstehung sind.“
Die Forschung legt nahe, dass es Planeten in zwei „Geschmacksrichtungen“ gibt: Super-Erden, die trocken, felsig und 50 % größer als die Erde sind, und Mini-Neptune, die reich an Wassereis und etwa 2,5-mal größer als die Erde sind. Izidoro sagte, dass neue Beobachtungen die Ergebnisse zu stützen scheinen, die der traditionellen Ansicht widersprechen, dass sowohl Supererden als auch Mini-Neptune ausschließlich trockene und felsige Welten sind.
Basierend auf ihren Erkenntnissen machten die Forscher Vorhersagen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA getestet werden können. Sie schlagen zum Beispiel vor, dass ein Bruchteil der Planeten, die etwa doppelt so groß sind wie die Erde, sowohl ihre ursprüngliche wasserstoffreiche Atmosphäre behalten als auch reich an Wasser sein werden.
Mehr Informationen:
André Izidoro et al, The Exoplanet Radius Valley from Gas-driven Planet Migration and Breaking of Resonant Chains, Die Briefe des astrophysikalischen Journals (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac990d