Ein Nichtgasriese mit einer Masse von 73 Erdmassen stellt seine Entdecker vor ein Rätsel – Ars Technica

Wissenschaftler haben an Modellen der Planetenentstehung gearbeitet, schon bevor wir wussten, dass Exoplaneten existieren. Diese Modelle orientierten sich ursprünglich an den Eigenschaften der Planeten in unserem Sonnensystem und erwiesen sich als bemerkenswert gut darin, Exoplaneten zu berücksichtigen, die in unserem Sonnensystem kein Äquivalent haben, wie etwa Supererden und heiße Neptune. Hinzu kommt die Fähigkeit von Planeten, sich dank Gravitationswechselwirkungen zu bewegen, und die Eigenschaften von Exoplaneten können in der Regel berücksichtigt werden.

Heute gibt ein großes internationales Forscherteam die Entdeckung von etwas bekannt, das unsere Modelle nicht erklären können. Er ist etwa so groß wie Neptun, aber viermal größer. Seine Dichte – viel höher als die von Eisen – lässt darauf schließen, dass der gesamte Planet fast vollständig fest ist oder über einen Ozean verfügt, der tief genug ist, um ganze Planeten zu überfluten. Während die Leute, die es entdeckt haben, zwei Theorien für seine Entstehung anbieten, ist keine davon besonders wahrscheinlich.

Seltsamer Fremder

Die Erforschung des neuen Planeten begann wie heute viele: Er wurde vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TOI, für TESS Object of Interest) als Objekt von Interesse identifiziert. TOI-1853 ist ein Stern, der etwas kleiner als unsere Sonne ist und eine Masse von etwa dem 0,8-fachen hat. Es gab deutliche Anzeichen für die Existenz eines Planeten in der Nähe des Sterns, der jetzt TOI-1853 b heißt. Der Planet umkreist seinen Zentralstern und umrundet ihn in 1,24 Tagen vollständig.

Die Forscher nutzten diese Zeit, um die Entfernung zu bestimmen, die der Planet umkreiste. Basierend auf einer Kombination aus dieser Entfernung, der Größe des Sterns und der vom Planeten blockierten Lichtmenge ist es möglich, die Größe des Planeten abzuschätzen. Es stellt sich heraus, dass dies etwa dem 3,5-fachen Erdradius entspricht, was bedeutet, dass er nur geringfügig kleiner als Neptun ist.

Das ist an sich nichts Ungewöhnliches. Es wurden viele Planeten von der Größe Neptuns entdeckt. Aber die Kombination aus Größe und Nähe zum Stern ist unerwartet. Es platziert ihn in der sogenannten „heißen Neptunwüste“, wo die intensive Strahlung des Sterns von der Atmosphäre des Planeten ausgeht. Neptune, die den heißen Wüstenstaat erreichen, werden am Ende ihres felsigen Kerns beraubt, was sie zu einer Supererde macht.

Was machte TOI-1853 b also in der Wüste? Um das herauszufinden, nutzten die Forscher bodengestützte Observatorien, um die Bewegung seines Muttersterns zu verfolgen, da sich die Anziehungskraft von TOI-1853 b änderte, während er sich durch seine Umlaufbahn bewegte. Die Beschleunigung der Sternbewegung aufgrund dieses Widerstands kann zur Schätzung der Masse des Planeten verwendet werden.

Es stellt sich heraus, dass TOI-1853 b hat eine Menge Aus der Masse. Seine Masse wird auf das 73-fache der Erdmasse oder mehr als das Vierfache der Neptunmasse geschätzt. Das bedeutet natürlich, dass seine Zusammensetzung völlig anders sein muss als die von Neptun.

Innen und außen knusprig?

Die an seiner Entdeckung beteiligten Forscher haben viel Text darauf verwendet, zu beschreiben, wie seltsam TOI-1853 b ist. Es gibt Planeten mit ähnlicher Dichte, die jedoch normalerweise viel kleiner sind. Dabei handelt es sich um Supererden, die dadurch entstehen, dass einem Neptun-ähnlichen Planeten seine Atmosphäre entzogen wird. Es gibt Planeten mit ähnlichen Massen, aber etwa der doppelten Masse, die wahrscheinlich ausgedehnte Atmosphären und/oder Ozeane hätten. „Es besetzt eine Region des Orbitalhaufens [distance] Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass „der Bereich der heißen Planeten, der zuvor frei von Objekten war, der trockeneren Region der heißen Wüste von Neptun entspricht.“

Die Kuriositäten enden hier nicht. Angesichts der hier im Spiel befindlichen Dichten sind zwei Kombinationen sinnvoll. Zum einen besteht der Planet wie die Erde fast ausschließlich aus Gesteinsmaterial, wobei eine sehr dünne Atmosphäre höchstens ein Prozent seiner Masse ausmacht. Die Alternative besteht darin, dass die Masse gleichmäßig zwischen dem Gesteinskern und einer riesigen Wasserschicht verteilt wird.

Natürlich wird es nicht das Wasser sein, wie wir es kennen. Aufgrund der Nähe zu seinem Mutterstern und dem enormen Druck dieses großen Ozeans wäre zumindest ein Teil dieses Wassers in einem überkritischen Zustand, und der Druck in der Nähe des Gesteinskerns würde das Wasser dazu zwingen, Feststoffe unter hohem Druck zu bilden. Im Inneren des Herzens wird es ebenso seltsam sein. Wie die Forscher anmerken, „bleiben die Eigenschaften des Materials bei solch hohen Zentraldrücken ungewiss.“

Es fällt uns nicht nur schwer, seine Gegenwart zu verstehen, wir sind auch ratlos, wenn es um seine Vergangenheit geht. Die Ansammlung kleiner Staubpartikel in der planetenbildenden Scheibe würde aufhören, bevor TOI-1853 b seine aktuelle Masse erreicht hätte, da sogar ein kleinerer Planet die Scheibe zerstören könnte. Es ist unwahrscheinlich, dass es sich an seinem jetzigen Standort gebildet hat, da Feststoffe dort nur schwer kondensieren können.

Zwei Möglichkeiten, unwahrscheinlich

Die Forscher schlagen zwei Möglichkeiten vor. Einer davon ist, dass sich weiter draußen eine Gruppe kleinerer Planeten bildete und dann ihre Umlaufbahnen destabilisierte, als die Scheibe allmählich verdampfte. Dies hätte zu Kollisionen führen können, die viele Planeten zerschmetterten, deren Trümmer dann einen einzigen Körper bildeten. Aber bei diesen Prozessen entstehen in der Regel keine einzelnen Körper, und es wären wahrscheinlich viele Planeten nötig, um das Äquivalent von 73 Erden an Material zu transportieren.

Die Alternative besteht darin, dass sich mehrere Gasriesen viel weiter entfernt gebildet haben und sich dann gegenseitig in ihren Umlaufbahnen destabilisiert haben, sodass einer stark exzentrisch zurückblieb und ein Teil der Umlaufbahn extrem nahe am Wirtsstern war. Dies würde es ihm ermöglichen, Material aus dem Inneren der Planetenscheibe zu sammeln, ein Prozess, der es einem jupiterähnlichen Planeten ermöglichen könnte, seine Masse nahezu zu verdoppeln. Seine maximale Umlaufbahn würde es ihm auch ermöglichen, seine Atmosphäre auf den Stern zu übertragen. Sobald diese Prozesse abgeschlossen sind, werden Gezeitenwechselwirkungen zwischen dem Planeten und dem Stern seine Umlaufbahn schließlich regelmäßiger machen.

An keinem dieser möglichen Entstehungsmechanismen gibt es physikalisch Unmögliches, aber beide erfordern eine Reihe unerwarteter Ereignisse. Das Universum ist groß und diese Dinge passieren wahrscheinlich irgendwo, aber es scheint unvernünftig zu erwarten, dass wir ihre Ergebnisse so schnell finden.

Eine Sache, die uns helfen könnte, den Ursprung von TOI-1853 b zu verstehen, ist die Anwesenheit anderer Planeten im System, was uns helfen könnte zu verstehen, was in den inneren Teilen dieses äußeren Systems geschah. TOI-1853 b ist so groß und so nah, dass er ein massives Signal aussendet, und wir hätten Schwierigkeiten gehabt, andere Planeten in diesem System zu entdecken. Forscher schätzen, dass auch etwas so Massereiches wie 10 Erdkörper in der Nähe des Sterns kreisen könnten, und das wäre uns entgangen. Kontinuierliches Feedback kann der Schlüssel zum Verständnis des Systems sein.

Natur, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06499-2 (Über digitale IDs).