Eine Kollision zwischen zwei entstehenden Planeten könnte entgegen allen Erwartungen dabei helfen, die Atmosphäre zu bewahren. Dieses Ergebnis wirkt paradox: Ein solcher Zusammenstoß setzt jedoch genug Energie frei, um die Gesteine stark zu erhitzen und das Entweichen der Gase in den Weltraum zu begünstigen.
Das zeigt eine in Nature Astronomy veröffentlichte Studie von Darius Modirrousta-Galian von der Jiao-Tong-Universität Shanghai und Jun Korenaga von der Yale-Universität.
Künstlerische Darstellung einer Kollision zwischen zwei Gesteinskörpern, von denen einer die Größe des Mondes und der andere die des Merkur hat, im jungen System des Sterns HD 172555.
Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech.
Um einen jungen Stern sammeln sich allmählich Staub und Gestein. Einige dieser Körper kollidieren schließlich und verschmelzen. Während dieser Zeit kann ein Planet auch eine Gashülle einfangen, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht und aus der Scheibe stammt, die seinen Stern noch umgibt. Das nennt man eine primordiale Atmosphäre, die sich stark von der Luft unterscheidet, die wir auf der Erde atmen.
Warum vertreibt ein Zusammenstoß die Gase nicht unbedingt?
Bei einer großen Kollision wirken zwei entgegengesetzte Effekte. Einerseits setzt der Zusammenstoß eine beträchtliche Energiemenge frei. Die Gesteinsschichten des Planeten erhitzen sich und können ihre Wärme an die Atmosphäre weitergeben. Die Gase dehnen sich daraufhin aus, wodurch ihr Entweichen in den Weltraum erleichtert wird.
Andererseits gewinnt der Planet Materie hinzu, indem er das Objekt aufnimmt, das ihn getroffen hat. Seine Masse nimmt zu, und für die Gase wird es schwieriger, seiner Anziehungskraft zu entkommen.
Die Forschenden modellierten die Entwicklung eines Gesteinsplaneten nach einem gigantischen Einschlag und berücksichtigten dabei beide Effekte. Ihr Ergebnis: Die gesamte hinzugefügte Masse trägt dazu bei, die Atmosphäre besser festzuhalten, aber die gesamte Energie des Zusammenstoßes dient nicht dazu, die darunterliegenden Gesteine zu erhitzen.
Ein Teil dieser Energie wird benötigt, um die Gesteine des Mantels zu schmelzen, der Schicht zwischen Oberfläche und Kern. Dieser Schmelzvorgang benötigt Energie, führt aber nicht vollständig zu einem Temperaturanstieg. Außerdem kann der metallische Kern des Einschlagskörpers in den Planeten eindringen und im Inneren extrem heiß bleiben, ohne seine Wärme sofort zum größten Teil an den Mantel abzugeben.
Unter den untersuchten Bedingungen kann die Verstärkung der Schwerkraft daher die Erwärmung überwiegen, die den Verlust der Gase begünstigt.
Ein möglicher Erklärungsansatz für zwei große Familien von Exoplaneten
Diese theoretische Entdeckung könnte eine Besonderheit der Planeten erklären, die um andere Sterne beobachtet werden. Astronomen entdecken zahlreiche Supererden, also Planeten mit größerer Masse als die Erde, sowie Sub-Neptune, die im Allgemeinen größer und von einer dichten Gashülle umgeben sind.
Nach dem vorgeschlagenen Szenario könnten Planeten, die infolge großer Kollisionen wachsen, eine wasserstoffreiche Hülle leichter bewahren und zu Sub-Neptunen werden. Kleinere Gesteinsplaneten könnten dagegen ihre ursprünglichen Gase unter dem anhaltenden Einfluss der Strahlung ihres Sterns verlieren, insbesondere durch dessen energiereichste Emissionen.
Das Modell sagt daher voraus, dass Sub-Neptune im Durchschnitt massereichere Gesteinsinneren besitzen als Supererden. Dieser Unterschied wäre demnach nicht allein auf das Vorhandensein oder Fehlen von Gas zurückzuführen, sondern auch auf die Geschichte der Kollisionen, die diese Welten geprägt haben.
Es handelt sich jedoch um eine Erklärung, die auf theoretischen Berechnungen beruht. Messungen der Masse und des Radius von Exoplaneten können dabei helfen, die von den Forschenden vorhergesagten strukturellen Unterschiede zu überprüfen.