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

Eine Zusammenarbeit mit Brandon Weigel

In den Anfangsjahren der Exoplanetologie kannten die Astronomen nur ein Mehrplanetensystem: das Sonnensystem. Natürlich hatten sie 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 aufgebaut waren: eine Reihe von Planeten, die in der Nähe des Wirtssterns 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 Stern Kepler-36. Es ist nicht ein Planet, sondern zwei - Exoplaneten mit den Namen Kepler-36b und Kepler-36c, mit Halb-Hauptachsen von 0,115 AU und 0,128 AU. Dies bedeutet, dass die beiden Exoplaneten extrem dicht beieinander gepackt sind. Dies ist an sich nicht sonderlich. Was seltsam ist, ist, dass die beiden Planeten ziemlich gleich sein sollten und aus dem gleichen 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 im Wesentlichen an derselben Stelle? Das ist eine gute Frage - und ihre Antwort ist entscheidend für unser Verständnis, warum Exoplaneten so verblüffend vielfältig sind. Mit Brandon Weigel beschäftige ich mich diese Woche damit, warum die Planetensysteme des Universums vielfältiger sein könnten, als wir dachten.

Multiplanetare Systeme zu finden ist schwer!

Kepler überblickte nur einen kleinen Teil der Galaxie, entdeckte aber immer noch Tausende von Exoplaneten.

Während seiner neunjährigen Mission überwachte das Kepler-Weltraumteleskop über eine halbe Million Sterne in der Nähe der Sonne. Kepler benutzte die Transitmethode zur Detektion von Exoplaneten. Es sah nach kleinen Einbrüchen in der Helligkeit eines Sterns aus. Wenn diese Einbrüche regelmäßig auftraten, war dies ein deutlicher Hinweis darauf, dass sie von einem Exoplaneten im Orbit verursacht wurden, der zwischen Kepler und dem Stern vorbeizog. Normalerweise ist das Kämmen von Daten für einen Exoplaneten-Kandidaten so einfach wie das Suchen nach Dips mit klaren Perioden. Sie sehen jede eingestellte Lücke zwischen den Durchgängen.

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

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

Anfangs hat der von Kepler verwendete Suchalgorithmus Kepler-36b vollständig verfehlt, was nur etwa 17% weniger Einbrüche zur Folge hatte als die von Kepler-36c verursachten. Ein zweiter Algorithmus, der potenzielle TTVs berücksichtigt, entdeckte ihn schließlich und enthüllte ein viel umfangreicheres System, als die Astronomen ursprünglich dachten (Carter et al. 2012). Tatsächlich waren diese TTVs keine Bedrohung, sondern ein Schatz an Informationen. Typischerweise 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 daraus ihre tatsächlichen Massen abzuleiten, die wiederum ein Fenster in die Exoplaneten bildeten '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 eine Atmosphäre enthält, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht.

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

Das war eine Überraschung. Trotz eines Umlaufs von nur 0,01 AE war die innere Welt fast neunmal so dicht wie ihr äußerer Begleiter. Traditionelle Modelle der Bildung von Planetensystemen sagen voraus, dass eine solche immense Diskrepanz unmöglich sein sollte. Die beiden Exoplaneten sollten sich sehr 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 Anordnung heißer Jupiter zu erklären, legt nahe, dass sich in protoplanetarische Scheiben eingebettete Exoplaneten dramatisch aus den äußeren Regionen in enge Bahnen um den Stern bewegen können. Dies kann durch Gezeitenwechselwirkungen mit der Scheibe oder Störungen mit anderen Planeten ausgelöst werden. In diesem Szenario hätte sich Kepler-36c weit außerhalb gebildet, wo es flüchtige Stoffe und eine erhebliche Wasserstoff / Helium-Hülle ansammelte, bevor es in eine enge Umlaufbahn um seinen Wirtsstern befördert wurde.

Lopez & Fortney 2013 waren daran interessiert, die zweite Möglichkeit auszuloten. Protoplaneten aller Formen und Größen können in ihrem frühen Leben große Hüllen von Wasserstoff und Helium bilden, aber kleine Planeten mit geringer Masse in der Nähe ihrer Wirtssterne verlieren oft diese Atmosphäre und halten schwere Gase wie Sauerstoff und Stickstoff zurück. Extreme Ultraviolettstrahlung (XUV) ionisiert das 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, die hohen XUV-Flüssen ausgesetzt sind, 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-Flussmittel 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 sein könnte: die Kernmasse. Es ist möglich, dass Kepler-36b anfangs als etwas weniger massereicher Protoplanet als sein Nachbar begann, was bedeutet, dass es eine entsprechend geringere Fluchtgeschwindigkeit hatte und es daher leichter war, Gas zu verlieren.

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

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

Kepler-36c behielt dagegen einen erheblichen Teil seiner Hülle, 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 der seines Nachbarn unterscheidet. Selbst wenn die beiden Planeten mit der gleichen 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 die Zufälligkeit in protoplanetaren Platten Systeme auf viele verschiedene Arten auf natürliche Weise formen kann. Es ist keine Migration mehr erforderlich - ein heikler Prozess -, um diese Art von Dichteunterschieden zu erklären. Schließlich sollte es in jedem protoplanetaren System möglich sein - was ein Glücksfall ist, da seitdem bei anderen Exoplanetenpaaren derselbe merkwürdige Dichtekontrast beobachtet wurde (siehe Kipping et al. 2014). Momentan könnte es ein Vorreiter sein, das Kepler-36-System zu erklären.

Ungeachtet des Mechanismus hinter diesem seltsamen Exoplanetenpaar zeigen sie, dass äußerst unterschiedliche Exoplanetensysteme existieren können. Ich will damit nicht sagen, dass eine beliebige Kombination von Massen, Kompositionen und Umlaufbahnen existieren kann, aber wir sollten dennoch damit rechnen, exotische Systeme zu entdecken, die beispielsweise in Star Wars nicht fehl am Platz wären. Für eine Spezies, die in einer Dschungelwelt lebt, wäre es nicht ausgeschlossen, in wenigen Monaten in ein Raumschiff zu springen und zu einem nahe gelegenen kleinen Gasriesen zu reisen.

Sie interessieren sich immer noch für welche exotischen Systeme? Brandon Weigel hat einen großartigen Artikel über die Exoplaneten geschrieben, die Sie finden könnten - Ozeanwelten, Eisenplaneten und vieles mehr. Hör zu!