Die NASA lüftet das Geheimnis schrumpfender Exoplaneten

Eine neue Studie könnte die „fehlenden“ Exoplaneten zwischen Supererden und subneptunischen Planeten erklären.

Einige Exoplaneten scheinen ihre Atmosphäre zu verlieren und zu schrumpfen. In einer neuen Studie mit NASAMithilfe des ausgedienten Kepler-Weltraumteleskops haben Astronomen Hinweise auf eine mögliche Ursache gefunden: dass die Kerne dieser Planeten ihre Atmosphären von innen nach außen auseinanderdrücken.

Größenunterschied zwischen Exoplaneten

Exoplaneten (Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) Erhältlich in verschiedenen GrößenVon kleinen Gesteinsplaneten bis hin zu riesigen Gasriesen. In der Mitte liegt ein Stein Super Erde Und größere Sub-Neptune mit aufgeblähter Atmosphäre. Aber es gibt eine auffällige Abwesenheit – die „Größenlücke“ – von Planeten zwischen dem 1,5- und 2-fachen der Größe der Erde (oder zwischen Supererden und subneptunischen Planeten), an deren Verständnis Wissenschaftler arbeiten.

„Wissenschaftler haben inzwischen die Entdeckung von mehr als 5.000 Exoplaneten bestätigt, aber es gibt weniger Planeten mit einem Durchmesser von 1,5 bis 2 Metern“, sagte Jesse Christiansen, Forschungswissenschaftler am Caltech/IPAC und wissenschaftlicher Leiter des Exoplaneten-Archivs der NASA der Erde. Autor der neuen Studie in Astronomisches Magazin. „Exoplaneten-Wissenschaftler verfügen nun über genügend Daten, um sagen zu können, dass diese Lücke nicht nur ein Zufall ist. Es ist etwas im Gange, das Planeten daran hindert, dorthin zu gelangen und/oder dort zu bleiben.“

Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie Neptuns Exoplanet TOI-421 b aussehen könnte. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler neue Beweise dafür gefunden, wie diese Planetentypen ihre Atmosphäre verlieren. Quelle: NASA, Europäische Weltraumorganisation, Kanadische Weltraumorganisation und D. Spieler(STScI)

Forscher glauben, dass diese Lücke dadurch erklärt werden kann, dass einige Unterplaneten im Laufe der Zeit ihre Atmosphäre verlieren. Dieser Verlust würde eintreten, wenn der Planet nicht genug Masse und damit auch keine ausreichende Gravitationskraft hätte, um seine Atmosphäre festzuhalten. Daher schrumpfen subneptunische Planeten, die nicht massereich genug sind, auf etwa die Größe von Supererden, wodurch eine Lücke zwischen den beiden Planetengrößen entsteht.

Doch wie diese Planeten ihre Atmosphäre verlieren, bleibt ein Rätsel. Wissenschaftler haben sich auf zwei mögliche Mechanismen geeinigt: Der eine wird Massenverlust als Grundenergie genannt; Das andere ist die Photoverdampfung. Die Studie ergab neue Beweise, die Ersteres stützen.

Dieses Video erklärt die Unterschiede zwischen den wichtigsten Arten von Exoplaneten oder Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Bildnachweis: NASA/Labor für Strahlantriebe-Kalifornisches Institut der Technologie

das Rätsel lösen

Der Massenverlust aus dem Kern tritt auf, wenn die Strahlung des heißen Kerns eines Planeten die Atmosphäre im Laufe der Zeit vom Planeten wegdrängt, „und diese Strahlung die Atmosphäre von unten drückt“, sagte Christiansen.

Die andere Hauptursache für eine Planetenlücke ist die Photoverdunstung, die auftritt, wenn die Atmosphäre eines Planeten aufgrund der heißen Strahlung seines Muttersterns explodiert. In diesem Szenario „wirkt die hochenergetische Strahlung des Sterns wie ein Haartrockner auf einem Eiswürfel“, sagte sie.

Während angenommen wird, dass die Photoverdunstung innerhalb der ersten 100 Millionen Lebensjahre des Planeten auftritt, geht man davon aus, dass der Massenverlust aufgrund der fundamentalen Energie viel später auftritt – etwa eine Milliarde Jahre nach dem Leben des Planeten. Aber bei beiden Mechanismen: „Wenn man nicht genug Masse hat, kann man nicht mithalten, man verliert seine Atmosphäre und schrumpft“, fügte Christiansen hinzu.

In dieser Tabelle sind die wichtigsten Arten von Exoplaneten aufgeführt. Wissenschaftler arbeiten daran, den „Größenunterschied“ oder das scheinbare Fehlen von Planeten, die zwischen Supererden und subneptunischen Planeten liegen, besser zu verstehen. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech

Beweise durch Beobachtung aufdecken

In dieser Studie verwendeten Chittiansen und Co-Autoren Daten von K2 der NASA, einer Erweiterungsmission des Kepler-Weltraumteleskops, um die Sternhaufen Praesepe und Hyades zu untersuchen, die zwischen 600 und 800 Millionen Jahre alt sind. Da allgemein davon ausgegangen wird, dass Planeten das gleiche Alter wie ihr Mutterstern haben, werden subneptunische Planeten in diesem System das Alter weit überschritten haben, in dem Photoverdampfung auftreten kann, sie sind jedoch nicht alt genug, um einen Massenverlust an Kernenergie zu erleiden.

Wenn das Team also feststellt, dass es in Prasepe und Hyades viele subneptunische Planeten gibt (im Vergleich zu älteren Sternen in anderen Sternhaufen), kann es daraus schließen, dass keine Photoverdampfung stattgefunden hat. In diesem Fall wäre der Massenverlust aufgrund der Grundenergie die wahrscheinlichste Erklärung dafür, was mit der weniger massiven Masse von Sub-Neptun im Laufe der Zeit passiert.

Durch die Beobachtung von Brycepe und Haades fanden die Forscher heraus, dass fast 100 % der Sterne in diesen Sternhaufen noch einen Substern enthalten.Neptun Ein Planet oder Planetenkandidat in ihrer Umlaufbahn. Gemessen an der Größe dieser Planeten gehen Forscher davon aus, dass sie ihre Atmosphäre behalten haben.

Diese Abbildung zeigt den Exoplanetenjäger der NASA, das Kepler-Weltraumteleskop. Die Agentur gab am 30. Oktober 2018 bekannt, dass Kepler keinen Treibstoff mehr hatte und dass er sich auf seine aktuelle und sichere Umlaufbahn weit von der Erde zurückziehen würde. Kepler hinterließ ein Vermächtnis von mehr als 2.600 Entdeckungen von Exoplaneten. Bildnachweis: NASA/Wendy Stenzel/Daniel Rutter

Dies unterscheidet sich von den anderen von K2 beobachteten älteren Sternen (Sterne, die älter als 800 Millionen Jahre sind), von denen nur 25 % Sub-Neptune umkreisen. Das höhere Alter dieser Sterne liegt näher an dem Zeitrahmen, in dem vermutlich ein grundlegender Energiemassenverlust auftritt.

Aus diesen Beobachtungen kam das Team zu dem Schluss, dass bei Praesepe und Hyades keine Photoverdampfung stattgefunden haben kann. Wenn das passiert wäre, wäre es vor Hunderten von Millionen Jahren passiert, und diese Planeten hätten, wenn überhaupt, nur noch wenig Atmosphäre gehabt. Dies macht den kerninduzierten Massenverlust zur Haupterklärung dafür, was wahrscheinlich mit der Atmosphäre dieser Planeten geschieht.

Laufende Forschung und das Erbe von Kepler

Christiansens Team verbrachte mehr als fünf Jahre damit, den für die Studie notwendigen Planetenkatalog zu erstellen. Die Forschung ist jedoch noch lange nicht abgeschlossen und das derzeitige Verständnis der Photoverdampfung und/oder des grundlegenden Energiemassenverlusts könnte sich weiterentwickeln. Die Ergebnisse müssen wahrscheinlich durch zukünftige Studien überprüft werden, bevor irgendjemand verkünden kann, dass das Geheimnis dieser planetaren Kluft ein für alle Mal gelöst ist.

Diese Studie wurde mithilfe des Exoplanet-Archivs der NASA durchgeführt, das vom California Institute of Technology in Pasadena im Auftrag der NASA im Rahmen des Exoplanet Exploration Program verwaltet wird und sich im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien befindet. JPL ist eine Abteilung des California Institute of Technology.

Referenz: „Scaling of K2. VII. „Evidence for a High Rate of Mesozoic Hot Sub-Neptune Creation“ von Jesse L. Christiansen, John K. Zinke, Kevin K. Hardigree-Ullman, Rachel B. Fernandez, Philip F. Hopkins , Louisa M. Ripoll, Kirsten M. Polley, Galen J. Bergsten und Saki Burri, 15. November 2023, Astronomisches Magazin.
doi: 10.3847/1538-3881/acf9f9

Die Kepler-Mission der NASA

Am 30. Oktober 2018 ging Kepler der Treibstoff aus und er beendete seine Mission nach neun Jahren, in denen er mehr als 2.600 bestätigte Planeten um andere Sterne sowie Tausende weiterer Kandidaten entdeckte, an deren Bestätigung Astronomen arbeiten.

Das Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley verwaltet die Kepler- und K2-Missionen für das Science Mission Directorate der NASA. JPL leitete die Entwicklung der Kepler-Mission. Die Ball Aerospace & Technologies Corporation betrieb das Flugsystem mit Unterstützung des Labors für Atmosphären- und Weltraumphysik der University of Colorado in Boulder.