Die meisten Sterne in unserer Galaxie haben Planeten. Die häufigsten sind Sub-Neptune, Planeten zwischen der Größe der Erde und des Neptuns. Die Berechnung ihrer Dichte stellt eine Herausforderung für Wissenschaftler dar: Je nach verwendeter Methode zur Messung ihrer Masse gibt es zwei Populationen, dichte und weniger dichte. Liegt das an Beobachtungsfehlern oder an der physischen Existenz zweier unterschiedlicher Populationen von Sub-Neptunen? Eine kürzliche Arbeit von NCCR PlanetS, der Universität Genf (UNIGE) und der Universität Bern (UNIBE) befürwortet Letzteres. Erfahren Sie mehr im Journal Astronomy & Astrophysics.

Exoplaneten sind in unserer Galaxie reichlich vorhanden. Am häufigsten sind diejenigen zwischen dem Radius der Erde (ca. 6.400 km) und dem des Neptuns (ca. 25.000 km), bekannt als "Sub-Neptune". Es wird geschätzt, dass 30% bis 50% der sonnenähnlichen Sterne mindestens einen dieser Planeten enthalten.

Die Berechnung der Dichte dieser Planeten stellt eine wissenschaftliche Herausforderung dar. Um ihre Dichte zu schätzen, müssen wir zuerst ihre Masse und ihren Radius messen. Das Problem: Planeten, deren Masse mit der TTV-Methode (Transit-Timing Variation) gemessen wurde, sind weniger dicht als Planeten, deren Masse mit der Radialgeschwindigkeitsmethode gemessen wurde, einer anderen möglichen Messmethode.

„Die TTV-Methode beinhaltet die Messung von Variationen in den Transitzeiten. Gravitationsinteraktionen zwischen Planeten im selben System verändern die Zeitpunkte, zu denen die Planeten vor ihrem Stern vorbeiziehen,“ erklärt Jean-Baptiste Delisle, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Astronomie an der UNIGE und Mitautor der Studie. „Die Radialgeschwindigkeitsmethode hingegen beinhaltet die Messung von Variationen in der Geschwindigkeit des Sterns, die durch die Anwesenheit von Planeten um ihn herum verursacht werden.“

Beseitigung von Verzerrungen
Ein internationales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern von NCCR PlanetS, UNIGE und UNIBE hat eine Studie veröffentlicht, die dieses Phänomen erklärt. Es wird nicht durch selektive oder Beobachtungsverzerrungen verursacht, sondern durch physikalische Gründe. „Die meisten mit der TTV-Methode gemessenen Systeme sind in Resonanz,“ erklärt Adrien Leleu, Assistenzprofessor in der Abteilung für Astronomie an der UNIGE und Hauptautor der Studie.

Zwei Planeten sind in Resonanz, wenn das Verhältnis ihrer Umlaufzeiten eine rationale Zahl ist. Zum Beispiel, wenn ein Planet zwei Umläufe um seinen Stern macht, macht der andere Planet genau einen. Wenn mehrere Planeten in Resonanz sind, bildet dies eine Laplace-Resonanzkette. „Deshalb haben wir uns gefragt, ob es eine intrinsische Verbindung zwischen der Dichte und der resonanten orbitalen Konfiguration des Planetensystems gibt,“ fährt der Forscher fort.

Um die Verbindung zwischen Dichte und Resonanz herzustellen, mussten die Astronomen zuerst jegliche Verzerrung in den Daten ausschließen, indem sie rigoros planetare Systeme für die statistische Analyse auswählten. Zum Beispiel erfordert ein großer Planet mit geringer Masse, der im Transit entdeckt wurde, mehr Zeit, um in den Radialgeschwindigkeiten entdeckt zu werden. Dies erhöht das Risiko einer Unterbrechung der Beobachtungen, bevor der Planet in den Radialgeschwindigkeitsdaten sichtbar wird und somit bevor seine Masse geschätzt werden kann.

„Dieser Auswahlprozess würde zu einer Verzerrung in der Literatur zugunsten größerer Massen und Dichten für Planeten führen, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode charakterisiert wurden. Da wir keine Messungen ihrer Massen haben, würden weniger dichte Planeten aus unseren Analysen ausgeschlossen,“ erklärt Adrien Leleu.

Nachdem diese Datenbereinigung durchgeführt wurde, konnten die Astronomen mithilfe statistischer Tests feststellen, dass die Dichte von Sub-Neptunen in resonanten Systemen geringer ist als bei ihren Kollegen in nichtresonanten Systemen, unabhängig von der verwendeten Methode zur Bestimmung ihrer Masse.

Frage der Resonanz
Die Wissenschaftler schlagen mehrere mögliche Erklärungen für diese Verbindung vor, einschließlich der Prozesse, die an der Entstehung von Planetensystemen beteiligt sind. Die Hauptthese der Studie ist, dass alle Planetensysteme in den ersten Momenten ihrer Existenz in den Zustand einer Resonanzkette konvergieren, aber nur 5% bleiben stabil. Die anderen 95% werden instabil. Die Resonanzkette bricht dann auseinander und erzeugt eine Reihe von „Katastrophen“, wie Kollisionen zwischen Planeten. Die Planeten verschmelzen, erhöhen ihre Dichte und stabilisieren sich dann in nichtresonanten Umlaufbahnen.

Dieser Prozess erzeugt zwei sehr unterschiedliche Populationen von Sub-Neptunen: dichte und weniger dichte. „Die numerischen Modelle zur Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen, die wir in Bern in den letzten zwei Jahrzehnten entwickelt haben, reproduzieren genau diesen Trend: Planeten in Resonanz sind weniger dicht. Diese Studie bestätigt darüber hinaus, dass die meisten Planetensysteme Schauplatz riesiger Kollisionen waren, ähnlich oder sogar heftiger als die, die zu unserem Mond geführt haben,“ schließt Yann Alibert, Professor an der Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie (WP) der UNIBE und Co-Leiter des Zentrums für Weltraum und Bewohnbarkeit sowie Mitautor der Studie.

Quelle: UNIVERSITÄT GENF