Kepler-36 zeigt, dass Planetensysteme weniger vorhersehbar sind als wir dachten

Eine Zusammenarbeit mit Brandon Weigel

In den frühen Jahren der Exoplanetologie kannten Astronomen nur ein einziges Planetensystem: das Sonnensystem. Sie hatten natürlich Simulationen und Modelle, aber in den neunziger Jahren basierte die Theorie hinter diesen Modellen hauptsächlich auf unserem eigenen Planetensystem. Selbst ohne andere Datenpunkte schien es jedoch eine vernünftige Annahme zu sein, dass die meisten anderen exoplanetaren Systeme wie unsere eigenen strukturiert waren: eine Reihe von Erdplaneten, die nahe am Wirtsstern umkreisen, wobei Riesenplaneten ähnlich wie Jupiter und Saturn weiter außen umkreisen.

Dieses Paradigma begann Mitte der neunziger Jahre zu zerfallen, als die Entdeckung des heißen Jupiter 51 Pegasi b die konventionelle Weisheit auf den Kopf stellte. Massive Gasriesen sollten einfach nicht so nahe an ihren Wirtssternen kreisen! Langsam aber sicher haben sich viele unserer Annahmen über die Struktur von Planetensystemen als völlig falsch erwiesen, da wir Gegenbeispiele zu lang gehegten Vorstellungen über die Planetenbildung entdecken.

Dank des Kepler-Weltraumteleskops kennen wir multiplanetare Systeme wie Kepler-62 mit fünf bestätigten Exoplaneten. Selbst dieses System ist jedoch nicht sehr mysteriös - im Vergleich zu anderen, die wir gefunden haben. Bildnachweis: NASA

Eine der jüngsten Überraschungen umkreist den Subgiant Star Kepler-36. Es ist nicht ein Planet, sondern zwei - Exoplaneten namens Kepler-36b und Kepler-36c mit Halb-Hauptachsen von 0,115 AU und 0,128 AU. Dies bedeutet, dass die beiden Exoplaneten extrem nahe beieinander gepackt sind. Das an sich ist nicht zu eigenartig; Was bizarr ist, ist, dass die beiden Planeten ziemlich ähnlich sein sollten und aus demselben Bereich der protoplanetaren Scheibe stammen - aber das sind sie nicht. Einer ist ein dichter, erdähnlicher Erdplanet, während der andere ein Mini-Neptun mit einer gasförmigen Hülle aus Wasserstoff und Helium ist.

Wie bilden sich also zwei völlig unterschiedliche Exoplaneten an im Wesentlichen derselben Stelle? Das ist eine gute Frage - und ihre Antwort erweist sich als entscheidend für unser Verständnis, warum Exoplaneten so erstaunlich vielfältig sind. Mit Brandon Weigel beschäftige ich mich diese Woche damit, warum die Planetensysteme des Universums vielfältiger sein könnten, als wir dachten.

Multiplanetäre Systeme zu finden ist schwierig!

Kepler untersuchte nur einen kleinen Teil der Galaxie, entdeckte aber dennoch Tausende von Exoplaneten.

Während seiner neunjährigen Mission überwachte das Kepler-Weltraumteleskop über eine halbe Million Sterne in der Nähe der Sonne. Kepler verwendete die Transitmethode zum Nachweis von Exoplaneten. Es suchte nach kleinen Einbrüchen in der Helligkeit eines Sterns. Wenn diese Einbrüche regelmäßig auftraten, war dies ein starker Beweis dafür, dass sie von einem Exoplaneten im Orbit zwischen Kepler und dem Stern verursacht wurden. Normalerweise ist das Kämmen von Daten für einen Exoplaneten-Kandidaten so einfach wie das Suchen nach Einbrüchen mit klaren Perioden. Sie sehen jede eingestellte Lücke zwischen den Transiten.

Für Sterne mit mehreren durchlaufenden Exoplaneten wird es jedoch schwierig. Diese Systeme erzeugen normalerweise durcheinandergebrachte Lichtkurven, die leicht mit anderen Phänomenen wie Sternflecken verwechselt werden können - oder die Transite könnten ganz übersehen werden. Im Fall von Kepler-36 gab es ein zusätzliches Problem. Die beiden Exoplaneten sind ziemlich nahe beieinander und erzeugen daher Transit-Timing-Variationen oder TTVs - Änderungen der erwarteten Transitzeiten, die durch ihre gegenseitige Anziehungskraft verursacht werden.

Abbildung 1, Carter et al. 2012. Die vom Teleskop (oben) erzeugte Rohlichtkurve sieht voller zufälliger Einbrüche aus, aber es gibt etwas, das eindeutig nicht zufällig ist: zwei durchgehende Exoplaneten, Kepler-36b (unten links) und Kepler-36c (unten rechts).

Anfänglich verfehlte der von Kepler verwendete Suchalgorithmus Kepler-36b vollständig, was zu Einbrüchen führte, die nur etwa 17% so stark waren wie die von Kepler-36c verursachten. Ein zweiter Algorithmus, der potenzielle TTVs berücksichtigt, hat es schließlich erkannt und ein viel reichhaltigeres System enthüllt, als Astronomen ursprünglich dachten (Carter et al. 2012). Tatsächlich waren diese TTVs keine Bedrohung, sondern ein Schatz an Informationen. In der Regel liefern Transite eines einzelnen Exoplaneten nur eine Schätzung seines Radius, aber die TTVs ermöglichten es dem Team, die Gravitationskräfte zwischen den Planeten für verschiedene Versuchsmassen zu modellieren - und damit ihre tatsächlichen Massen abzuleiten, was wiederum ein Fenster in die Exoplaneten bot 'Kompositionen.

Die ersten Beobachtungen ergaben Massen von 4,45 und 8,08 Erdmassen für Kepler-36b bzw. Kepler-36c und entsprechende Radien von 1,486 und 3,679 Erdradien. Eine einfache Berechnung ergibt Dichten von 7,46 Gramm pro Kubikzentimeter - etwas dichter als die Erde - und 0,89 Gramm pro Kubikzentimeter, was nahe am Saturn liegt. Die Implikationen waren klar: Kepler-36b ist eine felsige Welt mit einem eisenreichen Kern, während Kepler-36c reich an flüchtigen Bestandteilen ist und an einer Atmosphäre festhält, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht.

3, Carter et al. 2012. Die Darstellung der Datenpunkte in einem Massenradiusdiagramm zeigt, dass Kepler-36b in der Nähe des Bodens eine felsige Welt ist, während Kepler-36c in der Nähe des oberen Bereichs gasförmig ist.

Das war eine Überraschung. Obwohl die innere Welt nur 0,01 AU voneinander umkreiste, war sie fast neunmal so dicht wie ihr äußerer Begleiter. Traditionelle Modelle der Planetensystembildung sagen voraus, dass diese Art von immenser Diskrepanz unmöglich sein sollte. Die beiden Exoplaneten sollten einander ziemlich ähnlich sein. Die Daten erzählten jedoch eine andere Geschichte.

Eine ursprüngliche Lösung für ein ursprüngliches Problem

Die Astronomen waren von dem Rätsel nicht völlig verblüfft. Carter et al. kurz zwei mögliche Lösungen für das Problem betrachtet: Migration oder atmosphärische Erosion. Die Migrationshypothese, die ursprünglich entwickelt wurde, um die unerwartete Platzierung heißer Jupiter zu erklären, legt nahe, dass sich in Protoplanetenscheiben eingebettete Exoplaneten dramatisch von den äußeren Regionen in enge Umlaufbahnen um den Stern bewegen können. Dies kann durch Gezeitenwechselwirkungen mit der Scheibe oder durch Störungen mit anderen Planeten ausgelöst werden. In diesem Szenario hätte sich Kepler-36c weit draußen gebildet, wo es flüchtige Stoffe und eine beträchtliche Wasserstoff / Helium-Hülle anhäufte, bevor es in eine enge Umlaufbahn um seinen Wirtsstern getrieben wurde.

Lopez & Fortney 2013 waren daran interessiert, die zweite Möglichkeit zu untersuchen. Protoplaneten aller Formen und Größen können in ihrem frühen Leben große Hüllen aus Wasserstoff und Helium bilden, aber kleine Planeten mit geringer Masse in der Nähe ihrer Wirtssterne verlieren häufig diese Atmosphäre und halten schwere Gase wie Sauerstoff und Stickstoff zurück. Extreme ultraviolette (XUV) Strahlung ionisiert Gas in der oberen Atmosphäre und erwärmt es; Dieser Effekt - Photoevaporation genannt - ist bei leichteren Molekülen wie Wasserstoff und Helium stärker ausgeprägt. Daher neigen Körper mit hohen XUV-Flüssen dazu, diese Gase relativ schnell zu verlieren.

Abbildung 2, Lopez & Fortney 2013. Die Astronomen führten 6000 Simulationen für eine Reihe von Kernmassen, Flüssen, Zusammensetzungen und thermischen Trägheiten durch, um das Kepler-36-System zu erklären.

Kepler-36b und Kepler-36c liegen jedoch ziemlich nahe beieinander, und wenn keine Migration stattgefunden hätte, hätten sie die gleiche Menge an XUV-Fluss erhalten müssen. Was könnte dann dazu führen, dass man den größten Teil seiner Atmosphäre verliert? Lopez und Fortney schlugen vor, dass eine einfache Ausgangsbedingung anders gewesen sein könnte: die Kernmasse. Es ist möglich, dass Kepler-36b ursprünglich als etwas weniger massereicher Protoplanet als sein Nachbar begann, was bedeutet, dass er eine entsprechend niedrigere Fluchtgeschwindigkeit hatte und daher leichter Gas verlieren konnte.

Die Theoretiker beschlossen, dies zu testen. Sie simulierten eine große Anzahl von Exoplanetenmodellen, die eine breite Palette von Kernmassen und Zusammensetzungen abdeckten. Nachdem sie Photoevaporationsverluste über einen Zeitraum von 7 Milliarden Jahren - dem Alter des Systems - simuliert hatten, fanden sie Parameter, die die von den Exoplaneten abgeleiteten Eigenschaften reproduzierten. Kepler-36b begann mit einer Kernmasse von 4,45 Erdmassen - ungefähr so ​​viel wie seine gegenwärtige Masse - und verlor in den ersten 100 Millionen Jahren dramatische Mengen an Wasserstoff und Helium. Nach zwei Milliarden Jahren war die Wasserstoff / Helium-Hülle vollständig verschwunden.

Abbildung 1, Lopez & Fortney 2013. Kepler-36b und Kepler-36c entwickelten sich in den ersten hundert Millionen Jahren ihrer Entstehung auf völlig unterschiedliche Weise, obwohl sie mit derselben Zusammensetzung begannen.

Kepler-36c hingegen behielt einen signifikanten Teil seiner Hülle bei, nachdem es mit einer Kernmasse von 7,4 Erdmassen begonnen hatte. Es verlor auch Masse dank Photoevaporation, aber viel langsamer und nicht so dramatisch. Dies ließ es als ein Neptun-ähnliches Objekt mit einer Wasserstoff / Helium-Atmosphäre enden, die sich stark von seinem Nachbarn unterscheidet. Selbst wenn die beiden Planeten mit derselben Zusammensetzung begannen - 22% Wasserstoff und Helium -, reichte der Unterschied in der Kernmasse aus, um sie auf zwei völlig unterschiedliche Wege zu schicken.

Was bedeutet das für die Exoplanetologie?

Die Kernmassenhypothese ist äußerst verlockend. Wenn dies zutrifft, bedeutet dies, dass Zufälligkeit in protoplanetaren Scheiben Systeme auf viele verschiedene Arten auf natürliche Weise formen kann. Die Notwendigkeit einer Migration - ein heikler Prozess - zur Erklärung dieser Art von Dichtediskrepanz entfällt. Schließlich sollte es in jedem protoplanetaren System möglich sein - was ein Glück ist, da seitdem bei anderen Exoplanetenpaaren derselbe seltsame Dichtekontrast beobachtet wurde (siehe Kipping et al. 2014). Im Moment könnte es ein Vorreiter sein, das Kepler-36-System zu erklären.

Unabhängig vom Mechanismus hinter diesem seltsamen Paar von Exoplaneten zeigen sie, dass extrem unterschiedliche Systeme von Exoplaneten existieren können. Ich will damit nicht sagen, dass es eine beliebige Kombination von Massen, Kompositionen und Umlaufbahnen geben kann, aber wir sollten dennoch erwarten, exotische Systeme zu entdecken, die beispielsweise in Star Wars nicht fehl am Platz wären. Für eine in einer Dschungelwelt lebende Spezies wäre es nicht ausgeschlossen, in wenigen Monaten auf ein Raumschiff zu springen und zu einem nahe gelegenen kleinen Gasriesen zu reisen.

Immer noch interessiert an welchen exotischen Systemen ich spreche? Brandon Weigel hat einen großartigen Artikel über die Exoplaneten geschrieben, die Sie vielleicht finden - Ozeanwelten, Eisenplaneten und vieles mehr. Hör zu!