Planetenforscher-Konferenz EPSC 2020: Theorien zu heißen Jupitern und Supererden

Die Entstehung von Exoplaneten ist weitgehend ungeklärt. Das gilt auch für exotische Exoplaneten wie heiße Jupiter und Supererden.

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Der Exoplanet WD 1856 b und sein weißer Zwerg.

(Bild: NASA/JPL-Caltech/NASA's Goddard Space Flight Center)

Von
  • Hans-Arthur Marsiske
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Seit im Jahr 1995 der erste Planet außerhalb des Sonnensystems entdeckt wurde, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, ist die Zahl solcher Exoplaneten auf weit über 4000 angestiegen. Für viele dieser Himmelskörper gibt es in unserem Sonnensystem nichts Vergleichbares. Die Beobachtungen haben daher unter Astronomen die Debatten über Theorien zur Entstehung von Planetensystemen befeuert.

Zu den – aus irdischer Sicht – exotischsten Exoplaneten zählen zum einen die "heißen Jupiter", also Gasriesen mit teils noch größerer Masse als der Jupiter, die ihre Sterne auf extrem nahen Orbits in wenigen (Erd-) Tagen umkreisen. Zum anderen sind zahlreiche "Supererden" entdeckt worden, womit Gesteinsplaneten bezeichnet werden, deren Durchmesser mehr als doppelt so groß sein kann wie der der Erde und deren Masse das Zehnfache der Erdmasse betragen kann.

Obwohl Supererden mittlerweile den Großteil der katalogisierten Exoplaneten stellten, sei ihre Entstehung weiterhin rätselhaft, erklärte Mohamad Ali-Dib (University of Montréal) jetzt in seinem Beitrag zum Europlanet Science Congress (EPSC) 2020 der Planetenforscher. Gängige Modelle zur Planetenentstehung würden erwarten lassen, dass solche großen Brocken mit ihrer Schwerkraft das Gas in ihrer Umgebung anziehen und dadurch zu Gasriesen werden müssten. Ein solcher, sich selbst verstärkender Prozess könne aber möglicherweise durch die thermischen Eigenschaften der protoplanetaren Scheibe gestoppt werden.

Zusammen mit seinen Forschungskollegen Andrew Cumming und Doug Lin hat Ali-Dib Modellrechnungen durchgeführt, bei denen Energie sich durch Strahlung oder Konvektion in einem entstehenden Planetensystem ausbreitet. Sie kamen zum Ergebnis, dass in einer Entfernung von 0,1 Astronomischen Einheiten (eine AE entspricht der Entfernung Erde-Sonne) das Gas im Umkreis des Planetenkerns selbst zu strahlen beginnt, nicht mehr abkühlt und dadurch vom Planeten nicht eingefangen werden kann.

Mit der Bildung von Supererden im Orbit von Roten Zwergen, den kleinsten und am weitesten verbreiteten Sternen, hat sich Brianna Zawadzki (Pennsylvania State University) beschäftigt. Die Simulationen von Zawadzki zeigen, dass sich aus anfänglich 147 "planetaren Embryos" mit jeweils 0,08 Erdmassen durch Kollisionen innerhalb von einer Million Jahren Planeten bilden. Das Vorhandensein von Gas reduziere die Zahl der entstehenden Planeten und lasse sie näher an den Stern wandern. Aufgrund der raschen Formation der Planeten sei ausreichend Zeit für den Aufbau einer ausgedehnten Gashülle um sie herum, doch die könne durch Kollisionen oder die Strahlung des Sterns später wieder verloren gehen.

Die Studie soll die Suche des NASA-Observatoriums TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) nach Exoplaneten unterstützen. Die heute beobachteten Konstellationen von Planetensystemen, so ein weiteres Ergebnis der Simulationen, ließen jedoch keine Rückschlüsse auf die Anfangsbedingungen zu. "Wir haben herausgefunden", erklärt Zawadzki, "dass die Verteilung der Planeten am Ende kein Gedächtnis der anfänglichen Materieverteilung beinhaltet."

Exoplanetenjäger TESS der NASA (8 Bilder)

Die Vorbereitung des Weltraumteleskops
(Bild: NASA)

Planeten, die ihren Heimatstern in sehr geringer Entfernung umkreisen, sind häufig durch Gezeitenkräfte in ihrer Rotation blockiert, sodass sie dem Stern immer die gleiche Seite zuwenden. Das gilt vermutlich auch für den mithilfe von TESS entdeckten Exoplaneten LHS 3844b, der den 48,6 Lichtjahre entfernten Roten Zwerg LHS 3844 alle elf Stunden einmal umkreist.

Tobias G. Meier (Universität Bern) und sein Forschungsteam haben versucht, das Innenleben dieses Planeten zu simulieren. Dabei gingen sie von der Annahme aus, dass sich die extremen Temperaturunterschiede an der Oberfläche (1000 K auf der Tagseite, 20 K auf der Nachtseite) auch im Planeteninneren auswirken und sich im Austausch mit der Atmosphäre zeigen müssten. Als entscheidender Faktor erwies sich dabei die Stärke der Planetenkruste. Nur bei einer dicken Kruste waren Prozesse des Absinkens und Auftreibens asymmetrisch verteilt, wobei der Auftrieb der flüssigen Planetenmaterie vor allem auf der Nachtseite erfolgte. Bei einer dünnen Kruste dagegen ist die geologische Dynamik über den gesamten Planeten weitgehend gleich verteilt. Eine asymmetrische Tektonik sei bislang bei keinem Gesteinsplaneten des Sonnensystems beobachtet worden, stellen die Forscher fest. Zukünftige Beobachtungen von Exoplaneten sollten daher insbesondere darauf achten, inwieweit sich Asymmetrien vulkanischer Aktivität nachweisen lassen.