Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Genf, der UNIBE und PlanetS zeigt, dass es zwei verschiedene Populationen von Sub-Neptunen gibt, und beendet damit eine Debatte, die die wissenschaftliche Gemeinschaft in Aufruhr versetzte.
ESO/L. Calçada/ spaceengine.orgDie meisten Sterne in unserer Galaxie beherbergen Planeten. Die häufigsten sind die Sub-Neptune, Planeten, die zwischen der Größe der Erde und der des Neptuns liegen. Die Berechnung ihrer Dichte stellt die Wissenschaftler vor ein Problem: Je nach der Methode, mit der sie ihre Masse gemessen haben, konnten die Astronomen zwei Populationen feststellen, die dichten und die weniger dichten. Ist dies auf einen Beobachtungsfehler zurückzuführen oder auf die physische Existenz zweier unterschiedlicher Populationen von Sub-Neptunen? Neue Arbeiten des NFS PlanetS, der Universität Genf und der Universität Bern (UNIBE) sprechen für die zweite Hypothese. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics zu finden.
Exoplaneten sind in unserer Galaxie reichlich vorhanden. Am häufigsten sind solche, deren Größe zwischen dem Radius der Erde (ca. 6400 km) und dem des Neptuns (ca. 25.000 km) liegt, die so genannten ’Sub-Neptune’. Man schätzt, dass 30% bis 50% der sonnenähnlichen Sterne mindestens einen solchen Neptun beherbergen.
Die Berechnung der Dichte dieser Planeten stellt die Wissenschaftler vor ein Problem. Um die Dichte zu berechnen, muss man zunächst die Masse und den Radius der Planeten messen. Das Problem: Planeten, deren Masse mit der TTV-Methode (Transit-Timing-Variation) gemessen wird, sind weniger dicht als Planeten, deren Masse mit der Radialgeschwindigkeitsmethode, der anderen möglichen Messmethode, gemessen wird.
Die TTV-Methode besteht in der Messung von Variationen in der Zeitmessung des Transits. Die gravitativen Wechselwirkungen zwischen den Planeten eines Systems verändern nämlich leicht den Zeitpunkt, zu dem die Planeten vor ihrem Stern vorbeiziehen’, erklärt Jean-Baptiste Delisle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Departement für Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Koautor der Studie. Bei der Radialgeschwindigkeitsmethode werden die Geschwindigkeitsänderungen des Sterns gemessen, die durch die Anwesenheit des Planeten um den Stern herum verursacht werden.
jegliche Verzerrung ausschließen
Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des NFS PlanetS, der Universität Genf und der UNIBE veröffentlicht eine Studie, die dieses Phänomen erklärt. Es sei nicht auf Auswahl- oder Beobachtungsbias zurückzuführen, sondern habe physikalische Gründe. Die meisten Systeme, die mit der TTV-Methode gemessen werden, sind resonant", erklärt Adrien Leleu, Assistenzprofessor am Departement für Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Hauptautor der Studie.
Zwei Planeten befinden sich in Resonanz, wenn das Verhältnis zwischen ihren Umlaufzeiten eine rationale Zahl ist. Wenn zum Beispiel ein Planet seinen Stern zweimal umkreist, vollführt ein anderer Planet genau eine Umdrehung. Wenn mehrere Planeten in Resonanz sind, spricht man von einer Laplace-Resonanzkette. Wir haben uns daher gefragt, ob es einen intrinsischen Zusammenhang zwischen der Dichte und der resonanten Umlaufbahnkonfiguration eines Planetensystems gibt", fährt der Forscher fort.
Um den Zusammenhang zwischen Dichte und Resonanz herzustellen, mussten die Astronomen zunächst Verzerrungen in den Daten ausschließen, indem sie die Planetensysteme für die statistische Analyse rigoros auswählten. So benötigt beispielsweise ein großer, massearmer Planet, der im Transit entdeckt wird, mehr Zeit, um in Radialgeschwindigkeiten entdeckt zu werden. Dies erhöht das Risiko, dass die Beobachtungen abgebrochen werden, bevor der Planet in den Radialgeschwindigkeitsdaten sichtbar wird und somit seine Masse geschätzt werden kann.
Dieser Auswahlprozess würde zu einer Verzerrung in der Literatur zugunsten höherer Massen und Dichten für Planeten führen, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode charakterisiert wurden. Da es keine Messungen ihrer Massen gibt, würden die weniger dichten Planeten von unseren Analysen ausgeschlossen werden’, erklärt Adrien Leleu.
Nach dieser Bereinigung konnten die Astronomen mit Hilfe statistischer Tests feststellen, dass die Dichte von Sub-Neptunen in resonanten Systemen geringer ist als die ihrer Gegenstücke in nicht-resonanten Systemen, und zwar unabhängig von der Methode zur Bestimmung ihrer Masse.
Eine Frage von ’-------resonnance ’.
Die Wissenschaftler führen mehrere Erklärungsansätze für diesen Zusammenhang an, darunter auch die Prozesse, die bei der Entstehung von Planetensystemen ablaufen. Die von der Studie favorisierte Spur besagt, dass alle Planetensysteme in den ersten Momenten ihrer Existenz in Richtung eines Resonanzkettenzustands konvergieren, aber nur 5 % stabil bleiben. Die anderen 95% werden instabil. Die Resonanzkette bricht dann auseinander und führt zu einer Reihe von ’Katastrophen’, wie z. B. Kollisionen zwischen Planeten. Die Planeten verschmelzen miteinander und erhöhen so ihre Dichte, bevor sie sich auf nicht-resonanten Umlaufbahnen stabilisieren.
Dieser Prozess bringt zwei sehr unterschiedliche Populationen von Sub-Neptunen hervor, dichte und weniger dichte. Die numerischen Modelle zur Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen, die wir in den letzten zwei Jahrzehnten in Bern entwickelt haben, reproduzieren genau diesen Trend: Planeten, die in Resonanz sind, sind weniger dicht. Diese Studie bestätigt auch, dass die meisten Planetensysteme von gigantischen Kollisionen betroffen waren, ähnlich oder sogar noch heftiger als diejenige, die unseren Mond hervorgebracht hat", schließt Yann Alibert, Professor an der Abteilung für Weltraumforschung und Planetenwissenschaften (WP) und Co-Direktor des UNIBE-Zentrums für Weltraum und Bewohnbarkeit, Co-Autor der Studie.
