Überall im Universum gibt es Milliarden – vielleicht sogar Billionen – Exoplaneten, die Sterne unterschiedlicher Form, Größe, Farbe und mehr umkreisen. Wie die Sterne, die sie umkreisen, gibt es auch Exoplaneten in vielen verschiedenen Formen, Größen und Farben. Wissenschaftler klassifizieren Exoplaneten in eine von vier Gruppen: Gasriesen, Supererden, Sub-Neptune und Erdplaneten.
Interessanterweise gibt es unter den mehr als 5.000 Exoplaneten, die von der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation und anderen Agenturen entdeckt und katalogisiert wurden, eine merkwürdige Abwesenheit von Exoplaneten, die zwischen dem 1,5- und 2-fachen der Größe der Erde liegen (zwischen Supererden und subneptunischen Planeten). ). ). In einer neuen Studie, die Daten des inzwischen ausgemusterten Kepler-Weltraumteleskops der NASA nutzte, haben Wissenschaftler möglicherweise einen Hinweis darauf gefunden, warum dieser Größenunterschied besteht, bei dem die Kerne von Exoplaneten ihre Atmosphären von innen nach außen auseinanderdrücken.
„Wissenschaftler haben mittlerweile die Entdeckung von mehr als 5.000 Exoplaneten bestätigt, aber es gibt weniger Planeten als erwartet, die zwischen 1,5 und dem Doppelten des Erddurchmessers liegen. Exoplaneten-Wissenschaftler haben jetzt genügend Daten, um zu sagen, dass diese Lücke kein Zufall ist“, sagte er sagte. „Es passiert etwas, das verhindert, dass Planeten diese Größe erreichen und/oder bleiben“, sagte der wissenschaftliche Leiter und Hauptautor des Exoplaneten-Archivs der NASA, Jesse Christiansen vom California Institute of Technology.
Eine Zeichnung, die vier verschiedene Arten von Exoplaneten zeigt. (Quelle: NASA/JPL-Caltech)
Wie bereits erwähnt, liegt der Größenunterschied von Exoplaneten zwischen der Größe von Supererden und subneptunischen Planeten. Wissenschaftler glauben, dass Neptuns Exoplaneten wahrscheinlich die Ursache für den Größenunterschied sind, da frühere Studien gezeigt haben, dass Neptuns Unterplaneten anfällig für den Verlust der Atmosphäre sind. Exoplaneten können ihre Atmosphäre verlieren, wenn sie nicht über genügend Masse und damit über genügend Gravitationskraft verfügen, um ihre Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Wenn diese Theorie des Atmosphärenverlusts korrekt ist und die subneptunischen Planeten nicht genug Masse haben, um ihre Atmosphäre zu behalten, würden sie wahrscheinlich auf die Größe von Supererden schrumpfen, was den Größenunterschied zwischen Supererden und Unterplaneten erklären würde. Neptun.
Der genaue Prozess, durch den subneptunische Planeten ihre Atmosphäre verlieren, bleibt jedoch seit Jahren ein Rätsel. Die beiden Haupttheorien sind Kernenergiemassenverlust und Photoverdampfung. Die neue Kepler-Studie von Christiansen et al. Er zeigte den Beweis der ersten Theorie: Massenverlust mit Grundenergie.
Wie bereits erwähnt, ist der kerninduzierte Massenverlust der Prozess, bei dem der Kern eines Planeten die Atmosphäre des Planeten von innen nach außen drückt. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Strahlung des heißen Kerns eines Planeten mit der Atmosphäre des Planeten interagiert und dazu führt, dass die Atmosphäre langsam verschwindet.
Eine weitere Theorie hinter dem Atmosphärenverlust auf subneptunischen Planeten ist die Photoverdunstung, die auftritt, wenn Strahlung vom Mutterstern des Exoplaneten, wie Sonnenwinde und Flares, die Atmosphäre um den Exoplaneten wegbläst. „Die hochenergetische Strahlung des Sterns wirkt wie ein Haartrockner auf einem Eiswürfel“, sagt Dr. Christiansen.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Photoverdampfung in den ersten 100 Millionen Lebensjahren eines Exoplaneten stattfindet, während der Massenverlust aus dem Kern vermutlich erst viel später auftritt – etwa eine Milliarde Jahre nach der Entstehung des Planeten. So oder so: Wenn der Planet nicht genug Masse hat, verliert er seine Atmosphäre und schrumpft.
Künstlerische Darstellung eines Neptun-Exoplaneten, der seine Atmosphäre durch Photoverdampfung verliert. (Quelle: WM Keck Observatory/Adam Makarenko)
Während der Studie stellten Christiansen et al. Das Team nutzte Daten der K2-Mission der NASA, einer Erweiterungsmission des Kepler-Weltraumteleskops, das 2018 außer Betrieb genommen wurde. Das Team nutzte von Kepler gesammelte Daten zu den Sternhaufen Praesepe und Hyades, die zwischen 600 und 800 Millionen Jahre alt sind. jeweils.
Da angenommen wird, dass diese Exoplaneten das gleiche Alter wie ihr Mutterstern haben, haben Christiansen et al. Sie wussten, dass, wenn sie Exoplaneten in Sternhaufen beobachten würden, die Planeten alt genug sein müssten, um einer Photoverdampfung zu unterliegen, aber noch zu jung, um einen zentralen Energiemassenverlust zu erleiden. Das Team erwartete, dass sie, wenn sie eine große Anzahl subneptunischer Planeten in den Sternhaufen sehen würden, daraus schließen könnten, dass keine Photoverdampfung stattgefunden habe, was bedeutet, dass Massenverlust aufgrund der fundamentalen Energie die Hauptursache für den Verlust der Atmosphäre in subneptunischen Sternhaufen wäre. Neptunische Planeten.
Was hat das Team also in den K2-Daten gefunden?
Christiansen et al. Es stellte sich heraus, dass fast alle Sterne in Praecipe und Haades immer noch subneptunische Planeten oder andere Exoplaneten enthalten, deren Atmosphären sie umkreisen. Nach der Untersuchung der Größe von Exoplaneten um Sterne geht das Team davon aus, dass viele Exoplaneten noch über ihre Atmosphäre verfügen.
Die Anwesenheit dieser Exoplaneten um diese Sterne unterscheidet sich von den älteren Sternen, die von K2 beobachtet wurden und mehr als 800 Millionen Jahre alt waren. Von diesen älteren Sternen wurde festgestellt, dass nur 25 % Sub-Neptune in ihren Umlaufbahnen haben. Interessanterweise liegt das höhere Alter dieser Sterne näher an dem Zeitrahmen, in dem ein grundlegender Energiemassenverlust vermutet wird.
Ein Bild des Praecipe-Sternhaufens. (Bildnachweis: Stuart Heggie)
Die Ergebnisse von Christiansen et al. ließen das Team zu dem Schluss kommen, dass es innerhalb von Prasepe und Hyades nicht zu einer Photoverdampfung kommen kann, da es im Falle einer Photoverdunstung nur sehr wenige Exoplaneten mit Atmosphären innerhalb der Sternhaufen gäbe. Dies bedeutet, dass der Massenverlust aufgrund der Grundenergie die führende Theorie hinter dem atmosphärischen Verlust bei subneptunischen Planeten ist.
Es dauerte Christiansen et al. Es dauerte mehr als fünf Jahre, den Katalog der Exoplaneten zu erstellen, der in dieser Studie verwendet wurde. Obwohl die Ergebnisse des Teams sicherlich aufschlussreich sind, gibt es noch viel über Photoverdampfung und den Verlust von Kernenergiemasse zu lernen. Darüber hinaus werden bevorstehende Studien zu neptunnahen Planeten und atmosphärischen Verlusten bei Exoplaneten die Erkenntnisse von Christiansen et al. auf die Probe stellen.
(Hauptbild: Künstlerische Darstellung des Sub-Neptun-Exoplaneten TOI-421 b. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA und D. Player (STScI))
