Wissenschaftler enthüllen eine einheitliche Theorie zur Entstehung von Gesteinsplaneten

Eine neue Theorie zur Entstehung von Gesteinsplaneten könnte den Ursprung sogenannter „Super-Erden“ erklären – einer Klasse von Exoplaneten, die einige Male schwerer sind als die Erde und die am häufigsten vorkommende Art von Planeten in der Galaxie sind.

Darüber hinaus könnte es erklären, warum Supererden innerhalb eines einzelnen Planetensystems oft seltsam ähnlich groß aussehen, als ob jedes System nur in der Lage wäre, eine einzige Art von Planeten zu produzieren.

„Da unsere Beobachtungen von Exoplaneten in den letzten zehn Jahren zugenommen haben, ist klar geworden, dass die Standardtheorie der Planetenentstehung überarbeitet werden muss, beginnend mit den Grundlagen. Wir brauchen eine Theorie, die gleichzeitig die Entstehung der terrestrischen Planeten in unserem erklären kann Sonnensystem sowie die Ursprünge selbstähnlicher Systeme von Supererden, von denen viele in ihrer Zusammensetzung felsig erscheinen“, sagt Caltech-Professor für Planetenwissenschaften Konstantin Batygin, der mit Alessandro Morbidelli vom Observatoire de la Côte d’Azur in zusammengearbeitet hat Frankreich über die neue Theorie. Ein Papier, das ihre Arbeit erklärt, wurde von veröffentlicht Naturastronomie am 12. Januar.

Planetensysteme beginnen ihren Lebenszyklus als große rotierende Gas- und Staubscheiben, die sich im Laufe von etwa einigen Millionen Jahren verfestigen. Das meiste Gas sammelt sich im Stern im Zentrum des Systems an, während festes Material langsam zu Asteroiden, Kometen, Planeten und Monden zusammenfließt.

In unserem Sonnensystem gibt es zwei verschiedene Arten von Planeten: die kleineren felsigen inneren Planeten, die der Sonne am nächsten sind, und die äußeren größeren wasser- und wasserstoffreichen Gasriesen, die weiter von der Sonne entfernt sind. In einer früheren Studie veröffentlicht in Naturastronomie Ende 2021veranlasste diese Dichotomie Morbidelli, Batygin und Kollegen zu der Annahme, dass die Planetenbildung in unserem Sonnensystem in zwei verschiedenen Ringen in der protoplanetaren Scheibe stattfand: einem inneren, wo sich die kleinen felsigen Planeten bildeten, und einem äußeren für die massereicheren Eisplaneten (zwei von denen – Jupiter und Saturn – später zu Gasriesen heranwuchsen).

Super-Erden sind, wie der Name schon sagt, massiver als die Erde. Einige haben sogar Wasserstoffatmosphären, was sie fast wie Gasriesen erscheinen lässt. Darüber hinaus werden sie oft in der Nähe ihrer Sterne gefunden, was darauf hindeutet, dass sie aus weiter entfernten Umlaufbahnen an ihren aktuellen Standort gewandert sind.

„Vor einigen Jahren haben wir ein Modell gebaut, bei dem Supererden im eisigen Teil der protoplanetaren Scheibe entstanden und bis zum inneren Rand der Scheibe in der Nähe des Sterns gewandert sind“, sagt Morbidelli. „Das Modell könnte die Massen und Umlaufbahnen von Supererden erklären, sagte aber voraus, dass alle wasserreich sind. Jüngste Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass die meisten Supererden felsig sind, wie die Erde, selbst wenn sie von einer Wasserstoffatmosphäre umgeben sind. Das war das Todesurteil für unser altes Modell.“

In den letzten fünf Jahren ist die Geschichte als Wissenschaftler noch seltsamer geworden – darunter ein Team unter der Leitung von Andrew Howard, Professor für Astronomie am Caltech; Lauren Weiss, Assistenzprofessorin an der University of Notre Dame; und Erik Petigura, ehemals Sagan Postdoctoral Scholar in Astronomy am Caltech und jetzt Professor an der UCLA – haben diese Exoplaneten untersucht und eine ungewöhnliche Entdeckung gemacht: Während es eine Vielzahl von Arten von Supererden gibt, sind alle Supererden darin enthalten Ein einzelnes Planetensystem ist in Bezug auf Umlaufbahnabstand, Größe, Masse und andere Schlüsselmerkmale in der Regel ähnlich.

„Lauren entdeckte, dass Supererden innerhalb eines einzelnen Planetensystems wie ‚Erbsen in einer Schote‘ sind“, sagt Howard, der nicht direkt mit dem Batygin-Morbidelli-Papier in Verbindung stand, es aber überprüft hat. „Sie haben im Grunde eine Planetenfabrik, die nur weiß, wie man Planeten mit einer Masse herstellt, und sie spritzt sie einfach einen nach dem anderen heraus.“

Welcher einzelne Prozess könnte also zu den felsigen Planeten in unserem Sonnensystem, aber auch zu einheitlichen Systemen felsiger Supererden geführt haben?

„Es stellt sich heraus, dass die Antwort mit etwas zusammenhängt, das wir 2020 herausgefunden haben, aber nicht erkannt haben, dass es auf die Planetenbildung im weiteren Sinne angewendet wird“, sagt Batygin.

In einem 2020 veröffentlichten Artikel in Das Astrophysikalische JournalBatygin und Morbidelli schlug eine neue Theorie vor für die Bildung der vier größten Jupitermonde (Io, Europa, Ganymed und Callisto).

Im Wesentlichen zeigten sie, dass sich für einen bestimmten Größenbereich von Staubkörnern die Kraft, die die Körner in Richtung Jupiter zieht, und die Kraft (oder Mitnahme), die diese Körner in einem nach außen gerichteten Gasstrom trägt, gegenseitig perfekt aufheben. Dieses Kräftegleichgewicht schuf einen Materialring, der die festen Bausteine ​​für die nachfolgende Bildung der Monde bildete. Darüber hinaus legt die Theorie nahe, dass Körper im Ring wachsen würden, bis sie aufgrund gasgetriebener Migration groß genug werden, um den Ring zu verlassen. Danach hören sie auf zu wachsen, was erklärt, warum der Prozess ähnlich große Körper produziert.

In ihrer neuen Arbeit schlagen Batygin und Morbidelli vor, dass der Mechanismus zur Bildung von Planeten um Sterne herum weitgehend derselbe ist. Im planetarischen Fall tritt die großräumige Konzentration von festem Gesteinsmaterial an einem schmalen Band in der Scheibe auf, das als Silikat-Sublimationslinie bezeichnet wird – ein Bereich, in dem Silikatdämpfe kondensieren, um feste, felsige Kiesel zu bilden.

„Wenn Sie ein Staubkorn sind, spüren Sie einen beträchtlichen Gegenwind in der Scheibe, weil das Gas etwas langsamer umkreist, und Sie drehen sich spiralförmig auf den Stern zu; aber wenn Sie in Dampfform sind, drehen Sie sich einfach zusammen mit dem Stern nach außen Gas in der sich ausdehnenden Scheibe. An der Stelle, an der sich Dampf in Feststoffe verwandelt, sammelt sich Material an“, sagt Batygin.

Die neue Theorie identifiziert dieses Band als wahrscheinlichen Standort für eine „Planetenfabrik“, die im Laufe der Zeit mehrere ähnlich große Gesteinsplaneten produzieren kann. Wenn Planeten ausreichend massereich werden, werden ihre Wechselwirkungen mit der Scheibe diese Welten außerdem dazu neigen, diese Welten nach innen zu ziehen, näher an den Stern.

Die Theorie von Batygin und Morbidelli wird durch umfangreiche Computermodelle gestützt, begann jedoch mit einer einfachen Frage. „Wir haben uns das bestehende Modell der Planetenentstehung angesehen, da wir wussten, dass es nicht reproduziert, was wir sehen, und fragten: ‚Welche Behauptung nehmen wir für selbstverständlich?’“, sagt Batygin. „Der Trick besteht darin, etwas zu betrachten, das jeder für wahr hält, aber ohne triftigen Grund.“

In diesem Fall war die Annahme, dass festes Material in den protoplanetaren Scheiben verteilt ist. Indem diese Annahme über Bord geworfen und stattdessen angenommen wird, dass sich die ersten festen Körper in Ringen bilden, kann die neue Theorie verschiedene Arten von Planetensystemen mit einem einheitlichen Rahmen erklären, sagt Batygin.

Wenn der Gesteinsring viel Masse enthält, wachsen Planeten, bis sie sich vom Ring entfernen, was zu einem System ähnlicher Supererden führt. Wenn der Ring wenig Masse enthält, entsteht ein System, das viel mehr wie die terrestrischen Planeten unseres Sonnensystems aussieht.

„Ich bin ein Beobachter und Instrumentenbauer, aber ich achte sehr genau auf die Literatur“, sagt Howard. „Wir erhalten regelmäßig kleine, aber immer noch wichtige Beiträge. Aber etwa alle fünf Jahre kommt jemand mit etwas heraus, das eine seismische Verschiebung auf dem Gebiet bewirkt. Dies ist eine dieser Zeitungen.“