NASA-Daten enthüllen möglichen Grund für das Schrumpfen einiger Exoplaneten

Eine neue Studie könnte die „fehlenden“ Exoplaneten zwischen Supererden und Sub-Neptunen erklären.

Einige Exoplaneten scheinen ihre Atmosphäre zu verlieren und zu schrumpfen. In einer neuen Studie mit dem ausgemusterten Kepler-Weltraumteleskop der NASA finden Astronomen Hinweise auf eine mögliche Ursache: Die Kerne dieser Planeten drängen ihre Atmosphäre von innen nach außen.

Die Studie ist veröffentlicht In Das Astronomische Journal.

Exoplaneten (Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) gibt es in verschiedenen Größen, von kleinen Gesteinsplaneten bis hin zu riesigen Gasriesen. In der Mitte liegen felsige Supererden und größere Sub-Neptune mit aufgeblähter Atmosphäre. Aber es gibt eine auffällige Abwesenheit – eine „Größenlücke“ – von Planeten, die zwischen dem 1,5- und 2-fachen der Größe der Erde liegen (oder zwischen Supererden und Sub-Neptunen liegen), an deren Verständnis Wissenschaftler gearbeitet haben.

„Wissenschaftler haben inzwischen die Entdeckung von über 5.000 Exoplaneten bestätigt, aber es gibt weniger Planeten als erwartet mit einem Durchmesser zwischen dem 1,5- und 2-fachen des Erddurchmessers“, sagte Caltech/IPAC-Forscherin Jessie Christiansen, wissenschaftliche Leiterin des NASA Exoplanet Archive und Leiterin Autor der neuen Studie. „Exoplaneten-Wissenschaftler verfügen inzwischen über genügend Daten, um zu sagen, dass diese Lücke kein Zufall ist. Es passiert etwas, das Planeten daran hindert, diese Größe zu erreichen und/oder beizubehalten.“

Forscher glauben, dass diese Lücke dadurch erklärt werden könnte, dass bestimmte Sub-Neptune mit der Zeit ihre Atmosphäre verlieren. Dieser Verlust würde eintreten, wenn der Planet nicht genug Masse und damit auch keine ausreichende Gravitationskraft hätte, um seine Atmosphäre festzuhalten. Sub-Neptune, die nicht massereich genug sind, würden also auf etwa die Größe von Supererden schrumpfen, wodurch eine Lücke zwischen den beiden Planetengrößen verbleibt.

Doch wie genau diese Planeten ihre Atmosphären verlieren, bleibt ein Rätsel. Wissenschaftler haben sich auf zwei wahrscheinliche Mechanismen geeinigt: Der eine wird als kerngetriebener Massenverlust bezeichnet; und das andere, Photoverdampfung. Die Studie hat neue Beweise aufgedeckt, die das erste stützen.

Das Rätsel lösen

Kerngetriebener Massenverlust tritt auf, wenn die vom heißen Kern eines Planeten emittierte Strahlung die Atmosphäre im Laufe der Zeit vom Planeten wegdrückt, „und diese Strahlung von unten auf die Atmosphäre drückt“, sagte Christiansen.

Die andere führende Erklärung für die Planetenlücke ist die Photoverdunstung. Sie entsteht, wenn die Atmosphäre eines Planeten durch die heiße Strahlung seines Muttersterns im Wesentlichen weggeblasen wird. In diesem Szenario „wirkt die hochenergetische Strahlung des Sterns wie ein Fön auf einem Eiswürfel“, sagte sie.

Während angenommen wird, dass die Photoverdampfung während der ersten 100 Millionen Jahre eines Planeten auftritt, geht man davon aus, dass der kerngetriebene Massenverlust viel später auftritt – etwa nach einer Milliarde Jahren im Leben eines Planeten. Aber bei beiden Mechanismen „kann man sich nicht halten, wenn man nicht genug Masse hat, verliert die Atmosphäre und schrumpft“, fügte Christiansen hinzu.

Für diese Studie verwendeten Chistiansen und ihre Co-Autoren Daten von K2 der NASA, einer erweiterten Mission des Kepler-Weltraumteleskops, um die 600 bis 800 Millionen Jahre alten Sternhaufen Praesepe und Hyades zu untersuchen. Da allgemein davon ausgegangen wird, dass Planeten das gleiche Alter wie ihr Mutterstern haben, wären die Sub-Neptune in diesem System zwar älter als das Alter, in dem Photoverdampfung hätte stattfinden können, aber nicht alt genug, um einen kerngetriebenen Massenverlust zu erfahren.

Wenn das Team also sah, dass es in Praesepe und Hyades viele Sub-Neptune gab (im Vergleich zu älteren Sternen in anderen Sternhaufen), konnte es daraus schließen, dass keine Photoverdampfung stattgefunden hatte. In diesem Fall wäre der kerngetriebene Massenverlust die wahrscheinlichste Erklärung dafür, was mit der Zeit mit weniger massereichen Sub-Neptunen passiert.

Bei der Beobachtung von Praesepe und Hyades stellten die Forscher fest, dass fast 100 % der Sterne in diesen Sternhaufen noch einen Sub-Neptun-Planeten oder Planetenkandidaten in ihrer Umlaufbahn haben. Aufgrund der Größe dieser Planeten gehen die Forscher davon aus, dass sie ihre Atmosphäre beibehalten haben.

Dies unterscheidet sich von den anderen älteren Sternen, die K2 beobachtet (mehr als 800 Millionen Jahre alt), von denen nur 25 % Sub-Neptune umkreisen. Das höhere Alter dieser Sterne liegt näher an dem Zeitrahmen, in dem vermutlich ein kerngetriebener Massenverlust stattfindet.

Aus diesen Beobachtungen kam das Team zu dem Schluss, dass in Praesepe und Hyades keine Photoevaporation stattgefunden haben konnte. Wäre dies der Fall gewesen, hätte es Hunderte Millionen Jahre früher stattgefunden, und auf diesen Planeten wäre – wenn überhaupt – nur noch wenig Atmosphäre vorhanden. Damit bleibt der kerngetriebene Massenverlust die wichtigste Erklärung dafür, was wahrscheinlich mit der Atmosphäre dieser Planeten geschieht.

Christiansens Team hat mehr als fünf Jahre damit verbracht, den für die Studie erforderlichen Planetenkandidatenkatalog zu erstellen. Aber die Forschung sei noch lange nicht abgeschlossen, sagte sie, und es sei möglich, dass sich das aktuelle Verständnis der Photoverdampfung und/oder des kerngetriebenen Massenverlusts weiterentwickeln könnte. Die Ergebnisse werden wahrscheinlich durch zukünftige Studien auf die Probe gestellt, bevor irgendjemand das Geheimnis dieser planetarischen Lücke für endgültig gelöst erklären kann.

Diese Studie wurde mithilfe des Exoplanet-Archivs der NASA durchgeführt, das von Caltech in Pasadena im Auftrag der NASA im Rahmen des Exoplanet Exploration Program betrieben wird und sich im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien befindet. JPL ist eine Abteilung von Caltech.