Unruhige Wanderung am Rande der heißen Neptunwüste

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Unruhige Wanderung am Rande der heißen Neptunwüste

Ein Team der Universität Genf enthüllt die bewegte Migrationsgeschichte der Planeten, die an die Wüste der heißen Neptune grenzen, jener extrasolaren Planeten, die sehr nahe um ihren Stern k reisen.

Alle Arten von Exoplaneten umkreisen ihren Stern sehr nahe. Einige ähneln der Erde, andere dem Jupiter. Nur sehr wenige sind dem Neptun ähnlich. Wie kommt es zu dieser Anomalie in der Verteilung der Exoplaneten? Forscher der Universität Genf (UNIGE) und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS haben eine Auswahl von Planeten am Rande dieser heißen Neptunwüste beobachtet, um zu verstehen, wie sie entstanden ist. Mithilfe einer Technik, die die beiden Hauptmethoden zur Untersuchung von Exoplaneten (Radialgeschwindigkeiten und Transite) kombiniert, konnten sie feststellen, dass ein Teil dieser Exoplaneten in der Nähe ihres Sterns bewegt wanderte, was sie aus der Bahnebene, in der sie entstanden waren, hinausdrängte. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 haben Forscher über 5.000 Planeten in unserer galaktischen Nachbarschaft aufgespürt, von denen die meisten sehr nahe an ihrem Stern kreisen. Die Vielfalt dieser neuen Welten reicht von Gasriesen in der Größe von Jupiter oder Saturn über kleinere Planeten in der Größe von Merkur bis hin zu Gesteinsplaneten, die größer als die Erde sind, aber Gasplaneten in der Größe von Neptun scheinen zu fehlen. Astronomen bezeichnen dieses leere "Kästchen" in der Verteilung der nahen Planeten als die heiße Neptunwüste.

"Die Verteilung von Planeten in der Nähe ihres Sterns wird durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen atmosphärischen und dynamischen Prozessen, d.h. den Bewegungen der Planeten im Laufe der Zeit, geformt", kommentiert Vincent Bourrier, Assistenzprofessor am Departement für Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf. "Wir haben heute mehrere Hypothesen, um diese Wüste zu erklären, aber noch ist nichts sicher und das Rätsel bleibt bestehen". Haben die Planeten ihre Atmosphäre vollständig verloren, weil sie durch die intensive Strahlung ihres Sterns erodiert sind? Sind sie von ihrem Geburtsort in die äußeren Bereiche des Systems gewandert, und zwar durch einen anderen Mechanismus als andere Arten von Planeten, der verhindert, dass sie die gleichen engen Umlaufbahnen erreichen?

Störende Migration

Ein Team der Universität Genf hat in seinen jüngsten Arbeiten einige Antworten gefunden, indem es sich mit der Architektur der Umlaufbahnen von Planeten am Rande dieser Wüste befasst hat. Bei der Vermessung von vierzehn Planeten in diesem Gebiet, die von kleinen Planeten bis hin zu Gasriesen reichen, interessierten sich die Astronomen dafür, wie ihre Umlaufbahnen in Bezug auf die Rotationsachse ihres Sterns ausgerichtet sind. Diese Information ermöglicht es, zwischen sanften Migrationsprozessen (die Planeten bewegen sich in der Äquatorebene ihres Sterns, in der sie entstanden sind) und störenden Migrationsprozessen (die Planeten wandern und werden aus der Ebene, in der sie entstanden sind, herausgedrückt) zu unterscheiden.

Die Forscher/innen konnten nachweisen, dass die Mehrheit der Planeten in ihrer Stichprobe eine Umlaufbahn besitzt, die nicht mit dem Sternäquator ausgerichtet ist. "Wir haben festgestellt, dass drei Viertel dieser Planeten eine polare Umlaufbahn haben (sie kreisen über den Polen ihres Sterns), was ein größerer Bruchteil ist als bei den Planeten, die weiter von der Wüste entfernt sind. Dies spiegelt die Rolle von störenden Migrationsprozessen bei der Entstehung der Wüste wider", fasst Erstautor Vincent Bourrier zusammen.

Zwei Methoden kombiniert

Um zu diesen Ergebnissen zu gelangen, verwendeten die Wissenschaftler die Radialgeschwindigkeitsmethode und die Transitmethode, die bei der Untersuchung von Exoplaneten eingesetzt werden. "Die Analyse der Radialgeschwindigkeiten während des Transits eines Planeten ermöglicht es, festzustellen, ob der Planet um den Sternäquator oder um die Pole kreist oder ob das System sich in einer Zwischenkonfiguration befindet, da unterschiedliche Architekturen unterschiedliche Signaturen erzeugen", erklärt Omar Attia, Doktorand am Departement für Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Zweitautor der Studie. Diese beiden Methoden wurden mit Daten kombiniert, die unter anderem mit den Spektrographen HARPS und HARPS-Nord gewonnen wurden, die an der Universität Genf erstellt wurden und sich am 3,6m-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) und am Telescopio Nazionale Galileo (TNG) befinden.

Der Weg zum Verständnis der gesamten Mechanismen der Entstehung der heißen Neptunwüste ist noch weit. Insbesondere müssen mit dieser Technik die kleinsten Planeten am Rande der Wüste erforscht werden, die heute selbst mit Instrumenten der neuesten Generation wie dem Spektrographen ESPRESSO, der von der Universität Genf gebaut und an den größten europäischen Teleskopen installiert wurde, nur schwer zugänglich sind. Man wird auf die für 2027 geplante Inbetriebnahme des ELT, des 39-Meter-Superteleskops der ESO, warten müssen.

Diese Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des SPICE DUNE-Projekts (SpectroPhotometric Inquiry of Close-in Exoplanets around the Desert to Understand their Nature and Evolution) durchgeführt, für das Vincent Bourrier die Unterstützung des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhielt.

18 Jan. 2023