NASA-Daten enthüllen mögliche Gründe, warum einige Exoplaneten schrumpfen.

15. November 2023

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von Chelsea Gohd, NASA

Eine neue Studie könnte die 'fehlenden' Exoplaneten zwischen Super-Erden und Sub-Neptunen erklären.

Einige Exoplaneten scheinen ihre Atmosphären zu verlieren und zu schrumpfen. In einer neuen Studie mit Hilfe des ausgemusterten Kepler-Weltraumteleskops der NASA finden Astronomen Hinweise auf eine mögliche Ursache: Die Kerne dieser Planeten stoßen ihre Atmosphären von innen nach außen ab.

Die Studie wurde im Astronomical Journal veröffentlicht.

Exoplaneten (Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) gibt es in verschiedenen Größen, von kleinen, felsigen Planeten bis zu gewaltigen Gasriesen. Dazwischen liegen felsige Super-Erden und größere Sub-Neptune mit aufgeblähten Atmosphären. Aber es gibt eine auffällige Lücke - eine 'Größenlücke' - von Planeten, die zwischen 1,5 und 2 Mal so groß wie die Erde (oder zwischen Super-Erden und Sub-Neptunen) liegen und die Wissenschaftler besser verstehen wollen.

'Die Wissenschaftler haben mittlerweile die Entdeckung von über 5.000 Exoplaneten bestätigt, aber es gibt weniger Planeten als erwartet mit einem Durchmesser zwischen 1,5 und 2 Mal dem der Erde', sagte Caltech/IPAC-Forschungswissenschaftlerin Jessie Christiansen, Leiterin der Wissenschaft am NASA Exoplanet Archive und Hauptautorin der neuen Studie. 'Exoplanet-Wissenschaftler haben jetzt genug Daten, um zu sagen, dass diese Lücke kein Zufall ist. Es passiert etwas, das verhindert, dass Planeten diese Größe erreichen und/oder halten können.'

Forscher glauben, dass diese Lücke erklärt werden könnte, indem bestimmte Sub-Neptune im Laufe der Zeit ihre Atmosphären verlieren. Dieser Verlust würde eintreten, wenn der Planet nicht genügend Masse und damit Anziehungskraft hat, um seine Atmosphäre festzuhalten. Sub-Neptune, die nicht massiv genug sind, würden also auf die Größe von Super-Erden schrumpfen und die Lücke zwischen den beiden Planetengrößen hinterlassen.

Aber wie genau diese Planeten ihre Atmosphären verlieren, blieb ein Rätsel. Wissenschaftler haben zwei wahrscheinliche Mechanismen festgelegt: Der eine heißt Massenverlust durch den Kern, der andere Photoevaporation. Die Studie hat neue Beweise für den ersten Mechanismus erbracht.

Massenverlust durch den Kern tritt auf, wenn die Strahlung, die vom heißen Kern eines Planeten ausgeht, im Laufe der Zeit die Atmosphäre vom Planeten wegdrückt, 'und diese Strahlung drückt von unten auf die Atmosphäre', so Christiansen.

Die andere führende Erklärung für die planetarische Lücke, Photoevaporation, tritt auf, wenn die Atmosphäre eines Planeten im Wesentlichen durch die heiße Strahlung seines Muttersterns weggeblasen wird. In diesem Szenario 'wirkt die hochenergetische Strahlung des Sterns wie ein Haartrockner auf einen Eiswürfel', sagte sie.

Während davon ausgegangen wird, dass Photoevaporation während der ersten 100 Millionen Jahre eines Planeten stattfindet, tritt der massengetriebene Massenverlust viel später auf - näher an 1 Milliarde Jahre in das Leben eines Planeten. Aber bei beiden Mechanismen gilt: 'Wenn du nicht genug Masse hast, kannst du nicht festhalten und du verlierst deine Atmosphäre und schrumpfst', fügte Christiansen hinzu.

Für diese Studie verwendeten Christiansen und ihre Co-Autoren Daten von K2, einer erweiterten Mission des Kepler-Weltraumteleskops der NASA, um die Sternhaufen Praesepe und Hyaden zu untersuchen, die 600 bis 800 Millionen Jahre alt sind. Da Planeten im Allgemeinen als gleich alt wie ihr Mutterstern betrachtet werden, wären die Sub-Neptune in diesem System das Alter erreicht, in dem Photoevaporation hätte stattfinden können, aber nicht alt genug, um Massenverlust durch den Kern erfahren zu haben.

Wenn das Team also festgestellt hätte, dass es in Praesepe und Hyaden viele Sub-Neptune gab (im Vergleich zu älteren Sternen in anderen Haufen), hätten sie schließen können, dass Photoevaporation nicht stattgefunden hat. In diesem Fall wäre Massenverlust durch den Kern die wahrscheinlichste Erklärung dafür, was mit weniger massiven Sub-Neptunen im Laufe der Zeit passiert.

Bei der Beobachtung von Praesepe und Hyaden stellten die Forscher fest, dass fast 100% der Sterne in diesen Haufen einen Sub-Neptun-Planeten oder einen Planetenkandidaten in ihrer Umlaufbahn haben. Aus der Größe dieser Planeten schließen die Forscher, dass sie ihre Atmosphären behalten haben.

Dies unterscheidet sich von den anderen, älteren Sternen, die von K2 beobachtet wurden (Sterne, die älter als 800 Millionen Jahre sind), von denen nur 25% umlaufende Sub-Neptune haben. Das höhere Alter dieser Sterne entspricht mehr dem Zeitrahmen, in dem massengetriebener Massenverlust stattfinden soll.

From these observations, the team concluded that photoevaporation could not have taken place in Praesepe and Hyades. If it had, it would have occurred hundreds of millions of years earlier, and these planets would have little—if any—atmosphere left. This leaves core-powered mass loss as the leading explanation for what likely happens to the atmospheres of these planets.

Christiansen's team spent more than five years building the planet candidate catalog necessary for the study. But the research is far from complete, she said, and it is possible that the current understanding of photoevaporation and/or core-powered mass loss could evolve. The findings will likely be put to the test by future studies before anyone can declare the mystery of this planetary gap solved once and for all.

This study was conducted using the NASA Exoplanet Archive, which is operated by Caltech in Pasadena under contract with NASA as part of the Exoplanet Exploration Program, which is located at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Southern California. JPL is a division of Caltech.

Provided by NASA