Eine Computersimulation zeigt, wie sich die Verteilung der Größe von Planeten mit zunehmendem Alter der Planetensysteme ändert. Die Radiuslücke ist bei etwa dem doppelten Erdradius erkennbar – sie hängt allerdings von den Umlaufzeiten der Planeten ab. Es gibt Hinweise darauf, dass sich die Lücke im Laufe der Zeit verschiebt, wenn mit Gas umhüllte Mini-Neptune ihre Atmosphäre verlieren und eine feste Supererde zurücklassen. Ein Planet, der diesen Prozess durchläuft, wird hervorgehoben (dargestellt als Kern mit Atmosphäre), wobei seine Größenänderung rechts dargestellt ist.
Credit: Animation von Erik Petigura (UCLA); Simulation von James Owen (Imperial College London)
Spuren der Atmosphärenentwicklung?
Während Planetenjagd-Missionen schon Tausende von Welten entdeckt haben, die ferne Sterne umkreisen, gibt es einen großen Mangel an Exoplaneten, die zwischen dem 1,5-fachen und dem doppelten des Erdradius messen. Ihre Größe liegt zwischen felsigen Supererden und größeren Gasplaneten, die Mini-Neptune genannt werden. Seit der Entdeckung dieser 'Radiuslücke' im Jahr 2017 haben Wissenschaftler versucht herausgefunden, warum es so wenige dieser Himmelskörper gibt. Einige Forscher versuchen die geringe Anzahl solcher Exoplaneten durch die Erosion ihrer Atmosphären innerhalb von Milliarden von Jahren zu erklären.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Trevor David vom Flatiron Institut untersuchte, ob sich die Radiuslücke mit zunehmendem Alter der Planeten ändert. Sie teilten die Exoplaneten in zwei Gruppen ein – jung und alt – und bewerteten die Lücke neu. Die am wenigsten häufigen Planetenradien aus der jüngeren Gruppe waren im Durchschnitt kleiner als die am wenigsten häufigen Planetenradien aus der älteren Gruppe. Während die seltenste Größe für jüngere Planeten etwa das 1,6-fache des Erdradius beträgt, ist sie bei den älteren Planeten das 1,8-fache des Erdradius.
Die Forscher vermuten, dass einige Mini-Neptune über Milliarden von Jahren drastisch an Größe verlieren, da ihre Atmosphären entweichen und nur ein fester Kern übrig bleibt. Durch den Verlust ihres Gases „springen“ diese Mini-Neptune über die Radiuslücke und werden zu Supererden. Mit der Zeit verschiebt sich die Radiuslücke, da immer größere Mini-Neptuns diesen Sprung machen und sich in immer größere Supererden verwandeln. Mit anderen Worten, die Lücke ist also die Kluft zwischen den größten Supererden und den kleinsten Mini-Neptunen, die ihre Atmosphäre noch behalten können. Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse am 14. Mai in The Astronomical Journal.
„Der Punkt ist, dass Planeten nicht die statischen Kugeln aus Gestein und Gas sind, als die wir sie manchmal vorstellen“, sagte David, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Computational Astrophysics (CCA) des Flatiron Instituts in New York City. „In einigen früher vorgeschlagenen Modellen betreffend Atmosphären-Verlust, waren einige dieser Planeten zu Beginn ihres Daseins zehnmal größer“.
Die Ergebnisse scheinen zwei früher vorgeschlagene Annahmen zu bestätigen; Restwärme aus der Zeit der Planetenentstehung und intensive Strahlung der Muttersterne. Beide Phänomene fügen der Atmosphäre eines Planeten Energie zu, wodurch Gas in den Weltraum entweicht. „Wahrscheinlich sind beide Effekte wichtig“, sagte David, „aber wir brauchen ausgefeiltere Modelle um sagen zu können, wie viel und wann“ jeder dieser Effekte im Lebenszyklus eines Planeten dazu beiträgt.
Die neue Studie verwendete Daten des Kepler-Weltraumteleskops, mit dem das Licht ferner Sterne gemessen wurde. Wenn ein Exoplanet aus unserer Sichtlinie gesehen vor seinem Stern vorbeiwandert, wird das beobachtete Licht des Sterns schwächer. Durch die Analyse, wie schnell der Planet seinen Stern umkreist, die Größe des Sterns und das Ausmaß der Lichtschwächung, können Astronomen die Größe des Exoplaneten schätzen. Diese Analysen führten schließlich zur Entdeckung der Radiuslücke.
Wissenschaftler haben früher einige mögliche Mechanismen für die Entstehung der Lücke vorgeschlagen, wobei jeder Prozess auf einer anderen Zeitskala abläuft. Einige Forscher glaubten, dass die Lücke während der Planetenentstehung auftritt. Wenn sich sich zum Beispiel Planeten bilden, die nicht genügend Gas in ihrer Nähe haben um eine entsprechende Größe zu erreichen. In diesem Szenario würde der Radius des Planeten und damit die Radiuslücke bei der Entstehung geprägt werden. Eine andere Hypothese besagt, dass Kollisionen mit Weltraumgestein die dicke Atmosphäre eines Planeten zerstören und damit verhindern könnten, dass kleine Planeten viel Gas ansammeln. Dieser Wirkungsmechanismus würde ungefähr 10 bis 100 Millionen Jahre dauern.
Andere mögliche Mechanismen benötigen mehr Zeit. Ein Vorschlag ist, dass intensive Röntgen- und UV-Strahlung des Muttersterns einem Planeten mit der Zeit das Gas entzieht. Dieser als Fotoverdampfung bezeichnete Prozess würde bei den meisten Planeten weniger als 100 Millionen Jahre dauern, könnte aber bei einigen Milliarden von Jahren in Anspruch nehmen. Eine andere Vermutung ist, dass die Restwärme aus der Entstehung eines Planeten der Atmosphäre langsam Energie zuführt, wodurch Gas über Milliarden von Jahren in den Weltraum entweicht.
David und seine Kollegen begannen ihre Untersuchung, indem sie sich die Lücke selbst genauer ansahen. Das Messen der Größe von Sternen und Exoplaneten kann schwierig sein, daher wurden die Daten dahingehend bereinigt, dass nur Planeten berücksichtigt wurden, deren Durchmesser genau bekannt waren. Diese Datenverarbeitung ergab eine größere Lücke als bisher angenommen wurde.
Die Forscher sortierten die Planeten dann danach, ob sie jünger oder älter als 2 Milliarden Jahre sind. (Zum Vergleich: Die Erde ist 4,5 Milliarden Jahre alt.) Da ein Stern und seine Planeten gleichzeitig entstehen, bestimmten sie das Alter jedes Planeten anhand des Alters seines Sterns.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass kleinere Mini-Neptune nicht in der Lage sind, ihr Gas zu halten. Über Milliarden von Jahren geht das Gas verloren und hinterlässt eine größtenteils feste Supererde. Dieser Prozess dauert bei größeren Mini-Neptunen länger - sie werden zu den größten Supererden - hat aber keine Auswirkungen auf die riesigen Gasplaneten, deren Schwerkraft stark genug ist, um ihre Atmosphären zu halten.
Wenn sich die Radiuslücke in dieser Weise über Milliarden von Jahren entwickelt hat, würden weder Planetenkollisionen noch eine inhärente Eigenart der Planetenbildung daran Schuld tragen. Die Restwärme aus dem Planeteninneren, die allmählich die Atmosphäre abbaut, passt gut, sagte David, aber auch die intensive Strahlung von den Muttersternen könnte dazu beitragen, speziell in der Frühzeit von Planetensystemen.
Der nächste Schritt für Forscher besteht darin, genauere Modelle zur Planetenentstehungen zu entwickeln, um herauszufinden, welche Erklärung eine größere Rolle spielt. Das könnte bedeuten, dass zusätzliche Komplexitäten wie die Wechselwirkungen zwischen jungen Atmosphären und planetaren Magnetfeldern oder Magma-Ozeanen berücksichtigt werden.
21. Mai 2021/SP
Verein Kuffner-Sternwarte
