Simulationen liefern mögliche Erklärung für die mysteriöse Lücke in der Größenverteilung von Supererden

Normalerweise folgen Planeten in entwickelten Planetensystemen wie dem Sonnensystem stabilen Umlaufbahnen um ihren Zentralstern. Viele Anzeichen deuten jedoch darauf hin, dass einige Planeten während ihrer frühen Entwicklung ihre Geburtsorte verlassen könnten, indem sie nach innen oder außen wandern.

Diese Planetenwanderung könnte auch eine Beobachtung erklären, die Forscher seit mehreren Jahren verwirrt: die relativ geringe Anzahl von Exoplaneten mit etwa doppelt so großen Abmessungen wie die Erde, bekannt als Radius Valley oder Gap. Umgekehrt gibt es viele Exoplaneten, die kleiner und größer als diese Größe sind.

„Vor sechs Jahren ergab eine Neuanalyse der Daten des Kepler-Weltraumteleskops einen Mangel an Exoplaneten mit einer Größe um zwei Erdradien“, erklärt Remo Burn, Exoplanetenforscher am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Er ist der Hauptautor des Artikels, der über die in diesem Artikel dargelegten Ergebnisse berichtet und jetzt in veröffentlicht wurde Naturastronomie.

Woher kommt das Radiustal?

„Tatsächlich haben wir – wie auch andere Forschungsgruppen – bereits vor dieser Beobachtung aufgrund unserer Berechnungen vorhergesagt, dass eine solche Lücke bestehen muss“, erklärt Co-Autor Christoph Mordasini, Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS). Planeten. Er leitet die Abteilung für Weltraumforschung und Planetenwissenschaften an der Universität Bern. Diese Vorhersage entstand während seiner Zeit als Wissenschaftler am MPIA, das seit vielen Jahren gemeinsam mit der Universität Bern auf diesem Gebiet forscht.

Der am häufigsten vorgeschlagene Mechanismus zur Erklärung der Entstehung eines solchen Radiustals ist, dass Planeten aufgrund der Strahlung des Zentralsterns, insbesondere flüchtiger Gase wie Wasserstoff und Helium, einen Teil ihrer ursprünglichen Atmosphäre verlieren könnten. „Diese Erklärung vernachlässigt jedoch den Einfluss der Planetenwanderung“, stellt Burn klar.

Seit etwa 40 Jahren ist bekannt, dass sich Planeten unter bestimmten Bedingungen im Laufe der Zeit durch Planetensysteme nach innen und außen bewegen können. Wie effektiv diese Migration ist und inwieweit sie die Entwicklung von Planetensystemen beeinflusst, wirkt sich auf ihren Beitrag zur Bildung des Radiustals aus.

Rätselhafte Sub-Neptune

Zwei verschiedene Arten von Exoplaneten bewohnen den Größenbereich rund um die Lücke. Einerseits gibt es Gesteinsplaneten, die massereicher als die Erde sein können und daher Supererden genannt werden. Andererseits entdecken Astronomen in fernen Planetensystemen zunehmend sogenannte Sub-Neptune (auch Mini-Neptune), die im Durchschnitt etwas größer sind als die Supererden.

„Allerdings gibt es diese Klasse von Exoplaneten nicht im Sonnensystem“, betont Burn. „Deshalb sind wir uns über deren Struktur und Zusammensetzung bis heute nicht ganz im Klaren.“

Dennoch sind sich die Astronomen weitgehend einig, dass diese Planeten eine wesentlich ausgedehntere Atmosphäre besitzen als Gesteinsplaneten. Folglich war es ungewiss, wie die Eigenschaften dieser Sub-Neptune zur Radiuslücke beitragen. Könnte die Lücke überhaupt darauf hindeuten, dass sich diese beiden Arten von Welten unterschiedlich bilden?

Wandernde Eisplaneten

„Basierend auf Simulationen, die wir bereits im Jahr 2020 veröffentlicht haben, deuten und bestätigen die neuesten Ergebnisse, dass stattdessen die Entwicklung von Sub-Neptunen nach ihrer Geburt erheblich zum beobachteten Radiustal beiträgt“, schließt Julia Venturini von der Universität Genf. Sie ist Mitglied der PlanetS-Kollaboration und leitete die Studie 2020.

In den eisigen Regionen ihrer Geburtsorte, wo Planeten nur wenig wärmende Strahlung vom Stern erhalten, sollten die Sub-Neptune tatsächlich Größen aufweisen, die in der beobachteten Verteilung fehlen. Wenn diese vermutlich eisigen Planeten näher an den Stern heranwandern, taut das Eis auf und bildet schließlich eine dicke Wasserdampfatmosphäre.

Dieser Prozess führt zu einer Verschiebung der Planetenradien zu größeren Werten. Denn die zur Messung von Planetenradien herangezogenen Beobachtungen können nicht unterscheiden, ob die ermittelte Größe allein auf den festen Teil des Planeten oder auf eine zusätzliche dichte Atmosphäre zurückzuführen ist.

Gleichzeitig „schrumpfen“ Gesteinsplaneten, wie bereits im vorherigen Bild angedeutet, indem sie ihre Atmosphäre verlieren. Insgesamt führen beide Mechanismen zu einem Mangel an Planeten mit einer Größe von etwa zwei Erdradien.

Physikalische Computermodelle zur Simulation von Planetensystemen

„Die theoretischen Forschungen der Bern-Heidelberg-Gruppe haben unser Verständnis der Entstehung und Zusammensetzung von Planetensystemen bereits in der Vergangenheit erheblich erweitert“, erklärt MPIA-Direktor Thomas Henning. „Die aktuelle Studie ist daher das Ergebnis langjähriger gemeinsamer Vorarbeit und ständiger Verbesserungen der physikalischen Modelle.“

Die neuesten Ergebnisse stammen aus Berechnungen physikalischer Modelle, die die Planetenentstehung und die anschließende Entwicklung verfolgen. Sie umfassen Prozesse in den Gas- und Staubscheiben um junge Sterne, die zur Entstehung neuer Planeten führen. Zu diesen Modellen gehören die Entstehung von Atmosphären, die Vermischung verschiedener Gase und die radiale Migration.

„Im Mittelpunkt dieser Studie standen die Eigenschaften von Wasser bei Drücken und Temperaturen, die im Inneren von Planeten und ihren Atmosphären auftreten“, erklärt Burn. Für Simulationen ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie sich Wasser über einen weiten Druck- und Temperaturbereich verhält. Dieses Wissen ist erst in den letzten Jahren von ausreichender Qualität. Diese Komponente ermöglicht eine realistische Berechnung des Verhaltens der Sub-Neptune und erklärt so die Entstehung ausgedehnter Atmosphären in wärmeren Regionen.

„Es ist bemerkenswert, wie, wie in diesem Fall, physikalische Eigenschaften auf molekularer Ebene große astronomische Prozesse wie die Bildung von Planetenatmosphären beeinflussen“, fügt Henning hinzu.

„Wenn wir unsere Ergebnisse auf kühlere Regionen ausdehnen würden, in denen Wasser flüssig ist, könnte dies auf die Existenz von Wasserwelten mit tiefen Ozeanen hindeuten“, sagt Mordasini. „Solche Planeten könnten möglicherweise Leben beherbergen und wären aufgrund ihrer Größe relativ einfache Ziele für die Suche nach Biomarkern.“

Weitere Arbeiten stehen bevor

Die aktuellen Arbeiten sind jedoch nur ein wichtiger Meilenstein. Obwohl die simulierte Größenverteilung weitgehend mit der beobachteten übereinstimmt und die Radiuslücke an der richtigen Stelle ist, weisen die Details immer noch einige Inkonsistenzen auf. Beispielsweise landen in den Berechnungen zu viele Eisplaneten zu nahe am Zentralstern. Dennoch empfinden die Forscher diesen Umstand nicht als Nachteil, sondern hoffen, auf diese Weise mehr über die Planetenwanderung zu erfahren.

Auch Beobachtungen mit Teleskopen wie dem James Webb Space Telescope (JWST) oder dem im Bau befindlichen Extremely Large Telescope (ELT) könnten hilfreich sein. Sie wären in der Lage, die Zusammensetzung von Planeten abhängig von ihrer Größe zu bestimmen und wären damit ein Test für die hier beschriebenen Simulationen.

Die an dieser Studie beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Remo Burn und Thomas Henning.

Zu den weiteren Forschern gehört Christoph Mordasini (Universität Bern, Schweiz). [Unibe]), Lokesh Mishra (Universität Genf, Schweiz [Unige]und Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) und Alexandre Emsenhuber (Ludwig-Maximilians-Universität München, Deutschland, und Unibe).

Das Kepler-Weltraumteleskop der NASA suchte zwischen 2009 und 2018 nach Planeten um andere Sterne und entdeckte während seines Betriebs Tausende neue Exoplaneten. Es nutzte die Transitmethode: Wenn die Umlaufbahn eines Planeten so geneigt ist, dass die Ebene innerhalb der Sichtlinie des Teleskops liegt, blockieren Planeten während ihrer Umlaufbahn regelmäßig einen Teil des Lichts des Sterns. Diese periodische Schwankung der Helligkeit des Sterns ermöglicht eine indirekte Erkennung des Planeten und die Bestimmung seines Radius.