Während die eisigen und wasserreichen Ozean-Planeten zu ihrem Stern wandern, schmilzt das Eis und bildet letztendlich eine dicke Wasserdampfatmosphäre, die ihren Radius vergrößert.
© Thomas Müller / MPIA
Je näher diese Planeten ihrem Zentralstern kommen, desto mehr verdampft das Wasser und bildet eine Atmosphäre, die sie größer erscheinen lässt als im gefrorenen Zustand, weit über einem doppelten Erdradius hinaus. Gleichzeitig verlieren kleinere felsige Planeten, die größer als die Erde sind, allmählich einen Teil ihrer ursprünglichen Gashülle, was zu einer signifikanten Reduktion ihres Radius führt. Diese Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Erforschung von Exoplaneten. Sie sind in Nature Astronomy nachzulesen.
Im Jahr 2017 enthüllte das Weltraumteleskop Kepler die Abwesenheit von Planeten mit einer Größe von etwa zwei Erdradien. Dieses "Fehlen" in der Verteilung der Planetenradien wird als "subneptunischer Riss" bezeichnet. "Seine Existenz ist eine der wichtigsten Beobachtungseinschränkungen, um die Herkunft und Zusammensetzung der Exoplaneten zu verstehen, deren Radius zwischen dem der Erde und dem des Neptuns liegt", erklärt Julia Venturini, Ambizione-Stipendiatin des SNF, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Astronomie-Departement der UNIGE, Mitglied des NCCR PlanetS und Co-Autorin der Studie. "Wie andere Forschungsgruppen hatten wir auch aufgrund unserer Berechnungen, noch vor den Beobachtungen von 2017, vorausgesagt, dass ein solcher Riss existieren müsse", fügt Christoph Mordasini, Professor in der Abteilung für Weltraumforschung und Planetenwissenschaften (WP) der UNIBE, Mitglied des NCCR PlanetS und Co-Autor der Studie, hinzu.
Woher kommt der subneptunische Riss?
Zwischen einem und vier Erdradien gibt es zwei Arten von Exoplaneten. Einerseits felsige Planeten - „Super-Erden“ - die größer als die Erde sind. Andererseits gasförmige Planeten, sogenannte subneptunische Planeten (oder Mini-Neptune), von denen einige, die Ozean-Planeten, eine so große Menge Wasser beherbergen könnten, dass ihre Oberfläche von einem mehrere Zehner Kilometer tiefen Eis-Ozean bedeckt wäre. Unter diesen beiden Planetentypen, den Super-Erden und den Subneptunen, entdecken Astronomen sehr wenige mit einem Radius, der doppelt so groß ist wie der der Erde.
Um das Auftreten dieses "Risses" zu erklären, ist der am häufigsten vorgeschlagene Mechanismus, dass die Planeten einen Teil ihrer ursprünglichen Atmosphäre aufgrund der Sternstrahlung verlieren. "Diese Erklärung setzt voraus, dass die Planeten sich bilden und sehr nahe an ihrem Stern bleiben, wo sie trocken und wasserlos wären", präzisiert Julia Venturini. "Jedoch widerspricht diese Erklärung den Bildungsmodellen, die zeigen, dass Planeten einer Größe zwischen zwei und vier Erdradien, die Ozean-Planeten, üblicherweise aus den kältesten, am weitesten entfernten Regionen des Sternensystems stammen."
Viele Hinweise deuten daher darauf hin, dass einige Planeten während ihrer Entwicklung von ihrem Geburtsort weg migrieren könnten, indem sie innerhalb ihres Systems nach innen oder außen wandern. Diese Migration würde es den in kalten, eisigen Regionen geborenen Planeten, wie den Ozean-Planeten, ermöglichen, ihre Formation auf Umlaufbahnen ganz nah an ihrem Stern abzuschließen.
Herumirrende Ozean-Planeten
Während die eisigen und wasserreichen Ozean-Planeten zu ihrem Stern wandern, schmilzt das Eis und bildet schließlich eine dicke Wasserdampfatmosphäre. Dieser Prozess führt zu einer Vergrößerung ihres Radius auf Werte, die leicht über dem doppelten Erdradius liegen. Im Gegensatz dazu "schrumpfen" die wasserarmen Super-Erden, indem sie die flüchtigen Gase ihrer ursprünglichen Atmosphäre, wie Wasserstoff und Helium, unter dem Einfluss des Sterns verlieren.
Die kombinierten Modelle von Bildung und Entwicklung zeigen somit, dass die Migration der Ozean-Planeten wesentlich zur großen Anzahl von Planeten mit einem Radius größer als zwei Erdradien beiträgt, während die atmosphärische Verdampfung der Super-Erden zum Übermaß an Planeten kleiner als zwei Erdradien beiträgt. Im Zentrum dieser beiden Populationen befindet sich der subneptunische Riss. "Wir hatten dieses Ergebnis bereits 2020 erzielt. Die neue Studie bestätigt es mit einem anderen Bildungsmodell. Dies stärkt die Schlussfolgerung, dass subneptunische Planeten hauptsächlich Wasserwelten sind", erklärt Julia Venturini, die auch die Studie von 2020 geleitet hat.
Weitere Arbeiten stehen bevor
Neben der Erklärung eines bisher rätselhaften Phänomens eröffnen diese Arbeiten neue Perspektiven für die Erforschung von Exoplaneten. "Wenn wir unsere Ergebnisse auf gemäßigtere Regionen ausdehnen würden, wo Wasser flüssig ist, könnte dies auf die Existenz von aquatischen Welten mit tiefen flüssigen Ozeanen hindeuten", erklärt Christoph Mordasini. "Solche Planeten könnten potenziell Leben beherbergen und wären wegen ihrer Größe relativ einfache Ziele für die Suche nach Biomarkern."
Auch Beobachtungen mit Teleskopen wie dem James Webb Weltraumteleskop oder dem Extremely Large Telescope, das gerade gebaut wird, könnten hilfreich sein. Sie würden es ermöglichen, die atmosphärische Zusammensetzung der Planeten in Abhängigkeit von ihrer Größe zu bestimmen, was die beschriebenen Simulationen testen würde.