Was würde passieren, wenn das Sonnensystem eine Supererde bekäme?

In dieser Ära der Entdeckung von Exoplaneten haben Astronomen über 5.000 bestätigte Exoplaneten gefunden, Tausende weitere warten auf die Bestätigung und viele Milliarden weitere warten darauf, entdeckt zu werden. Diese Exoplaneten existieren in einem verwirrenden Spektrum an Größen, Zusammensetzungen, Umlaufzeiten und fast allen anderen messbaren Merkmalen.

Das Lernen über sie hat auch Licht auf unser Sonnensystem geworfen. Früher hielten wir es für eine archetypische Anordnung von Planeten, da es alles ist, was wir tun mussten. Aber jetzt wissen wir, dass wir der Ausreißer sein könnten, weil wir keine Supererde haben.

Super-Erden sind eine Klasse von Planeten, die häufig um andere Sterne herum vorkommen. Sie werden allein durch Masse definiert, zwischen zwei und zehn Erdmassen. Obwohl Planetenjäger über 1500 von ihnen gefunden haben, hat unser Sonnensystem keinen. Da unserem Sonnensystem einer dieser repräsentativen Typen fehlt, ist es für Planetenwissenschaftler schwierig, die Supererden in anderen Systemen zu verstehen.

Die Architektur unseres Sonnensystems unterscheidet sich ziemlich von dem, was Astronomen auch um andere Sterne herum sehen. Systeme wie Kepler-11 haben mehrere Planeten in kompakten Systemen auf langfristig stabilen Umlaufbahnen viel näher am Stern. Wechselwirkungen zwischen so dicht gepackten Planeten sollten zur orbitalen Instabilität beitragen, aber die Planeten von Kepler-11 haben das Potenzial, über Milliarden von Jahren stabil zu sein. Der kleinste Planet im System, Kepler-11 f, ist immer noch 2,5-mal so massereich wie die Erde.

Andere Systeme wie HD 20782 haben Planeten mit extremen Bahnexzentrizitäten. HD 20782 b hat eine der exzentrischsten bekannten Umlaufbahnen. Seine Exzentrizität ist 0,97, extrem hoch, da eine Exzentrizität von 1,00 eine Fluchtbahn ist. (Zum Vergleich: Die Exzentrizität der Erde beträgt 0,016, wobei 0 eine kreisförmige Umlaufbahn ist.) Infolgedessen erfährt HD 20782 b wilde Temperaturschwankungen, wenn sie auf ihrer 585-tägigen Umlaufbahn vom inneren Sonnensystem zum äußeren System wandert.

Ein erfahrener Planetenforscher wollte wissen, was passieren würde, wenn unser Sonnensystem tatsächlich eine Supererde hätte. Wie würde es unser Sonnensystem verändern? Würde eine Supererde unser Sonnensystem mehr in Einklang mit einigen anderen Systemen bringen, die wir in der Milchstraße sehen? Wäre unser Sonnensystem überhaupt erkennbar?

Um das herauszufinden, schuf er eine simulierte Supererde in einer Simulation unseres Sonnensystems.

Sein Name ist Stephen Kane und er ist Professor für planetare Astrophysik an der University of California. Das Papier ist „Die dynamischen Konsequenzen einer Supererde im Sonnensystem“, und Kane ist der einzige Autor. Das Papier wurde noch nicht begutachtet.

In seinem Artikel weist Kane auf die planetare Größen-/Massenlücke unseres Sonnensystems hin und was sie für Forscher bedeutet. Ohne eine Supererde, die zwischen Erde und Neptuns Masse passt, ist es schwierig, unser System in einen Kontext zu stellen. Es ist schwierig zu modellieren, wie sich diese Planeten bilden und wie ihre Zusammensetzung aussehen könnte.

Es könnte mehrere Gründe geben, warum unser System keine Supererde hat. Die frühe Migration von Jupiter und Saturn könnte eine Rolle gespielt haben, indem sie Masse verschlungen hat, die sich auf der Erde oder dem Mars angesammelt haben könnte, und sie in Supererden verwandelt hat.

Ohne unsere eigene Supererde zum Studium bleiben Forscher mit vielen Fragen zurück. „Trotzdem“, schreibt Kane, „ist es nützlich, die dynamischen Folgen zusätzlicher Planetenmasse innerhalb des Sonnensystems zu untersuchen, um aktuelle Entstehungstheorien einzuschränken und die Implikationen für allgemeine Planetensystemarchitekturen zu untersuchen.“

Detaillierte Computermodelle und Simulationen sind ein wichtiger Bestandteil der Astronomie und werden mit der Zeit immer detaillierter und leistungsfähiger. Die Forscher variieren die Eingaben, um zu sehen, wie sich Dinge wie Sonnensysteme und Planeten unter verschiedenen Bedingungen bilden und verhalten. In dieser Arbeit platzierte Kane eine Supererde in unserem Sonnensystem, um zu sehen, was passieren würde.

„In diesem Papier liefern wir die Ergebnisse einer dynamischen Studie, die einen zusätzlichen terrestrischen Planeten im Massenbereich von 1 bis 10 Erdmassen und im Bereich der großen Halbachse von 2–4 AE innerhalb der aktuellen Architektur des Sonnensystems platziert“, schreibt Kane.

Kane fügte Planeten mit Massen zwischen 1 und 10 Erdmassen in Schritten von 1 Erdmasse hinzu. Er platzierte den Planeten an verschiedenen Startpositionen in Kreisbahnen. Die Umlaufbahnen waren koplanar mit der Erde, und die große Halbachse reichte von 2 bis 4 astronomischen Einheiten (AE) in Schritten von 0,01 AE.

„Dies führte zu mehreren tausend Simulationen, wobei jede Simulation 107 Jahre lang laufen durfte, beginnend mit der gegenwärtigen Epoche, und alle 100 Simulationsjahre eine Orbitalkonfiguration ausgegeben wurde“, erklärt Kane.

Die Simulationen zeigten, dass die inneren Planeten anfälliger für Instabilität durch die Hinzufügung einer Super-Erde waren als die äußeren Planeten. „Die weite Region von 2–4 AE enthält viele Orte der MMR (mittlere Bewegungsresonanz) mit den inneren Planeten, die die chaotische Entwicklung des inneren Sonnensystems weiter verstärken“, heißt es in dem Papier.

„Chaotische Evolution“ ist eine Untertreibung. Das Hinzufügen einer Super-Erde verändert die Beziehungen zwischen den Planeten und verändert die gesamte Architektur des inneren Sonnensystems. „Für dieses Beispiel werden die Umlaufbahnen aller vier inneren Planeten so instabil, dass sie vor Abschluss der 107-Jahres-Simulation aus dem System entfernt werden.“

Der arme Mars schaffte es nur bis zur Hälfte der Simulation, bevor er ausgeworfen wurde. Merkur schaffte es nur ein Drittel des Weges durch die Simulation, bevor die Wechselwirkungen mit Venus und Erde und deren zunehmende Exzentrizität einen Drehimpuls in die Umlaufbahn von Merkur übertrugen und ihn verdrängten.

In einem weiteren Durchlauf der Simulation platzierte Kane eine Supererde mit acht Erdmassen in einem Abstand von 3,7 AE. Das führte zunächst zu leichten Erhöhungen der Exzentrizitäten von Erde und Venus, die dann zusammen mit dem Einfluss von Jupiter die Umlaufbahn von Merkur so sehr störten, dass er schnell wieder herausgeschleudert wurde. Die katastrophale Entfernung von Merkur veränderte dann die Erde und die Venus, indem sie einen Drehimpuls in ihre Umlaufbahnen injizierte. „Dies führt zu einer erheblichen periodischen Entwicklung ihrer Umlaufbahnen mit sowohl hoch- als auch niederfrequenten Variationen ihrer Exzentrizität“, schreibt Kane.

Die Umlaufbahn des Mars ist in diesem Szenario relativ unbeeinflusst, obwohl seine Exzentrizität „aufgrund von Wechselwirkungen mit den äußeren Planeten hochfrequenten Oszillationen unterliegt“.

Auch das äußere Sonnensystem veränderte sich, wenn auch nicht so stark. Als die Simulation einen Planeten mit sieben Erdmassen auf 3,79 AE platzierte, passierte zunächst nicht viel. Aber schließlich gibt es eine dramatische Veränderung. Die Umlaufbahn der Supererde ändert sich und ihre große Halbachse reicht bis zu 30 AE. Nach etwa 4 Millionen Jahren wird die Supererde aus dem System geschleudert. Sein Ausstoß überträgt einen Drehimpuls, und das hat einen „wesentlichen Einfluss auf die Exzentrizitäten von Saturn, Uranus und Neptun“, erklärt Kane.

In einer anderen Simulation hatte die injizierte Supererde ebenfalls sieben Erdmassen, und die AU änderte sich nur geringfügig von 3,79 auf 3,8. Die Supererde wurde erneut ausgeworfen, und Jupiter und Saturn erfuhren eine erhöhte Exzentrizität. Die leichte Veränderung löste auch den Verlust von Uranus aus.

Kane führte mehrere tausend Durchläufe der Simulation durch und abhängig von den Parametern wurden einige der inneren Planeten ausgestoßen, ebenso wie die implantierte Supererde. Auch in anderen Architekturen wurden die Eisriesen ausgeworfen. Aber der Auswurf ist nur ein Ergebnis, wenn auch das extremste.

Die Simulationen zeigten, dass die Anwesenheit einer Supererde die Umlaufbahnen der anderen Planeten exzentrischer machen kann. Das kann das Klima eines Planeten verheeren, da die Temperatur stark schwankt, je nachdem, wo sich der Planet in seiner exzentrischen Umlaufbahn befindet. „Diese Wechselwirkungen führen zu einer großen Amplitudenoszillation der Venus und der Exzentrizität der Erdumlaufbahn, wodurch Milankovitch-Zyklen entstehen, die möglicherweise das langfristige Klima dieser Planeten beeinflussen können“, schließt Kane.

Es gibt viele Supererden da draußen, und es ist eine offene Frage, wie stark ihre Anwesenheit die Bewohnbarkeit in anderen Systemen beeinflusst. Wenn diese Studie irgendein Hinweis ist, ist es eine Frage, die untersucht werden muss. „Die Abhängigkeit des planetarischen Klimas von orbitalen Wechselwirkungen mit Supererden wird weitere atmosphärische Daten und Modelle erfordern, um festzustellen, ob das Vorhandensein solcher Planeten (oder deren Fehlen) vorzugsweise zu exzentrischen Klimaeffekten führen kann“, erklärt der Autor.

In früheren Jahrzehnten nutzten Astronomen die Architektur unseres Sonnensystems, um Modelle der Entstehung und Architektur des Sonnensystems zu entwickeln. Aber jetzt wissen wir, dass unser Sonnensystem nicht repräsentativ für das ist, was da draußen ist, besonders wenn es um Supererden geht. Der Unterschied könnte darauf zurückzuführen sein, wie die Riesenplaneten wanderten. „Insbesondere diese gigantischen Planetenmigrationsereignisse könnten die Entstehungsprozesse terrestrischer Planeten im inneren Sonnensystem beeinflusst und die Entstehung des häufigsten Planetentyps, der bisher entdeckt wurde, abgeschnitten haben: Supererden“, heißt es in dem Papier.

Die Grand-Tack-Hypothese zeigt, wie Jupiter bei 3,5 AE entstand, nach innen auf 1,5 AE wanderte und dann wieder auf 5,2 AE herauswanderte. Der König der Planeten, der sich so durch das Sonnensystem bewegt hätte, hätte alles um ihn herum beeinflusst. Es hätte eine Kollisionskaskade zwischen Objekten im inneren Sonnensystem erzeugen und Material in die Sonne treiben können, das eine Supererde hätte bilden können. Einige Forscher glauben, dass unser System in der fernen Vergangenheit eine Supererde hatte, die in der Sonne umkam.

Kane nennt unser Fehlen einer Super-Erde ein zweischneidiges Schwert. Einerseits haben wir keine Gelegenheit, eine Supererde so genau zu studieren, wie wir terrestrische Planeten, Gasriesen oder Eisriesen studieren können. Aber die Anwesenheit einer Super-Erde hätte das Sonnensystem komplett verändern und potenziell katastrophal für das Leben sein können.

„Unsere Ergebnisse zeigen die dynamische Zerbrechlichkeit unserer bestehenden Planetenkonfiguration und ermöglichen eine detailliertere Untersuchung dieser Konfiguration im breiteren Kontext der Architekturen von Planetensystemen“, schreibt Kane. Der Hauptzweck der Arbeit besteht darin, Vergleiche zwischen unserem eigenen „komischen“ System und der Fülle von Sonnensystemen zu ermöglichen, die die Supererde enthalten.

„Die Untersuchung der Umlaufbahnen mit diesen Systemen, sowohl aus individueller als auch aus statistischer Sicht, wird die wahren Folgen der gemeinsamen Nutzung des dynamischen Raums mit einem Super-Erde-Planeten aufzeigen“, schließt er.

Die Studie erscheint auf der arXiv Preprint-Server.