Es gibt eine Art von Exoplaneten, die Astronomen manchmal als Zuckerwatteplaneten oder Super-Puffs bezeichnen. Sie sind mysteriös, weil ihre Massen nicht mit ihren extrem großen Radien übereinstimmen. Die beiden Eigenschaften implizieren einen Planeten mit einer extrem geringen Dichte.
In unserem Sonnensystem gibt es nichts Vergleichbares, und es war rätselhaft, sie in fernen Sonnensystemen zu finden. Nun könnte ein Astronomenpaar es herausgefunden haben.
Die Astronomen sind Anthony Piro von der Carnegie University und Shreyas Vissapragada vom Caltech. Ihr Papier trägt den Titel „ Untersuchen, ob Super-Puffs als beringte Exoplaneten erklärt werden können .“ Es wurde im Astronomical Journal veröffentlicht.
'Wir haben uns überlegt, was wäre, wenn diese Planeten überhaupt nicht luftig wie Zuckerwatte sind', sagte Piro in einem Pressemitteilung . „Was ist, wenn die Super-Puffs so groß erscheinen, weil sie tatsächlich von Ringen umgeben sind?“
Planetenjäger haben über 4.000 bestätigte Exoplaneten gefunden. Mit sorgfältiger Beobachtung können Astronomen Exoplanetenmerkmale wie Dichte, Masse, Größe und sogar, wenn sie sich in der bewohnbaren Zone ihres Sterns befinden, einschränken. Aber es gibt keine wirkliche Möglichkeit, festzustellen, ob diese entfernten Objekte Ringe haben.
Es wäre überraschend, wenn das keiner tun würde. Alle Gasriesen und Eisriesen in unserem Sonnensystem haben Ringe, obwohl nur die des Saturns leicht zu erkennen sind.
Der Großteil der Exoplaneten wird mit der Transitmethode entdeckt. Dazu gehört die sorgfältige Beobachtung eines Planeten, während er sich zwischen seinem Wirtsstern und uns bewegt. Basierend auf dem winzigen Einbruch des Sternenlichts, den der Transit des Planeten verursacht, können Astronomen einen Planeten erkennen. Auf diese Weise bestimmen sie auch die anderen Eigenschaften eines Planeten und beobachten, wie der Stern als Reaktion auf die Bewegung des Planeten wackelt.
Aber die Transitmethode kann Astronomen nicht sagen, ob ein Planet Ringe hat. In einem Gedankenexperiment fragten sich die Astronomen, wie Planeten wie der Saturn für einen entfernten Beobachter aussehen würden.
„Wir haben uns gefragt, ob Sie Saturn als Ringplanet erkennen würden, wenn Sie von einer fernen Welt auf uns zurückblicken würden, oder würde er einem außerirdischen Astronomen wie ein geschwollener Planet erscheinen?“ fragte Vissapragada.
Ein atemberaubender Blick auf Saturn vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA. Wie würde Saturn für einen entfernten Beobachter mit der Transitmethode aussehen? Credits: NASA, ESA, A. Simon (GSFC), M.H. Wong (University of California, Berkeley) und das OPAL-Team
In ihrem Papier sagen die Forscher: 'Ein nützliches Beispiel ist das von Saturn: Wenn ein externer Beobachter im Durchschnitt über die Saison die Größe des Saturns während des Transports ohne Berücksichtigung von Ringen maß, würde er seine wahre Dichte um etwa den Faktor zwei unterschätzen.'
Sie bauten auf diesem Gedankenexperiment mit einem tatsächlichen Experiment oder einer Simulation auf. Die Forscher simulierten einen Ringplaneten, der vor der Sonne vorbeizieht, und wie das für einen entfernten Astronomen mit den leistungsstarken Beobachtungsinstrumenten aussehen würde. Sie untersuchten auch die Materialarten in den Ringen, die die Beobachtungen beeinflussen würden.
Die Ergebnisse waren gemischt. Laut ihrer Arbeit können Ringe einige Puffplaneten erklären, aber nicht alle. In ihrem Papier sagen sie: „Wir finden, dass diese Erklärung für einige der Super-Puffs funktioniert, aber für andere hat sie Schwierigkeiten.“ Ein Teil der Erklärung für diese Ergebnisse beinhaltet die merkmallosen Spektren von Puffplaneten.
In ihrem Papier sagen die Autoren: „Hier überlegen wir, ob sie große abgeleitete Radien haben könnten, weil sie tatsächlich beringt sind. Dies würde natürlich erklären, warum Super-Puffs bisher nur funktionslose Transitspektren gezeigt haben.“ Normalerweise hat ein Exoplanet Spektren, aber bei Ringen gibt es keine.
Die Autoren fahren fort: „Wir stellen fest, dass diese Hypothese in einigen Fällen funktionieren kann, aber nicht in allen. Die Nähe der Super-Puffs zu ihren Elternsternen erfordert Ringe mit einer eher felsigen als eisigen Zusammensetzung.“ Dies wiederum schränkt die Radien der Ringe selbst ein.
Künstlerische Vorstellung eines Ringplaneten, der vor seinem Wirtsstern durchgeht. Bildquelle: Robin Dienel und mit freundlicher Genehmigung der Carnegie Institution for Science.
Und die Begrenzung der Radien bedeutet, dass Ringe einige Puffplaneten erklären könnten, aber nicht alle. Dem Papier zufolge „erschwert dies die Erklärung der Größe von Kepler 51b, 51c, 51d und 79d, es sei denn, die Ringe bestehen aus porösem Material.“ Die drei Kepler-51-Planeten sind alle Puffplaneten und sie sind die drei mit der niedrigsten bekannten Dichte. Obwohl sie alle Jupiter-große Planeten sind, sind ihre Massen nur ein paar Mal größer als die der Erde.
In einer Pressemitteilung erklärte Co-Autor Piro es so: „Diese Planeten neigen dazu, in unmittelbarer Nähe ihrer Wirtssterne zu kreisen, was bedeutet, dass die Ringe eher felsig als eisig sein müssten. Aber felsige Ringradien können nur so groß sein, es sei denn, das Gestein ist sehr porös, sodass nicht jeder Super-Puff diesen Einschränkungen entsprechen würde.“
Transit eines Ringplaneten mit der gleichen Oberfläche wie Kepler 18b und die resultierenden Lichtkurven. Die obere Tafel zeigt ein Beispiel der für die Transitberechnungen berücksichtigten Bilder mit dem Planeten an sieben verschiedenen Positionen. Das mittlere Feld zeigt den resultierenden Transit (normalisiert auf den stellaren Fluss) mit den Punkten, die jeder der im oberen Feld gezeigten Planetenpositionen entsprechen. Unten ist der Unterschied zwischen einem beringten Transit und einem kahlen Stern mit gleicher Bedeckungsfläche dargestellt. Bildquelle: Piro und Vissapragada, 2020.
Das Material, aus dem ein Rocky-Ring besteht, kann nur so dicht sein und kann nur Ringe einer bestimmten Größe bilden. Wenn es zu dicht und zu weit vom Planeten entfernt ist, wird es stattdessen zu Satelliten kombiniert.
Mindestens drei beobachtete Puffplaneten lassen sich wahrscheinlich durch Ringe erklären, sagt das Forscherpaar: Kepler 87c und 177c sowie HIP 41378f. Kepler 87c ist so groß wie Neptun, aber nur etwa 6,4 mal so massiv wie die Erde. Die anderen beiden auf ihrer Liste weisen eine ähnliche Diskrepanz zwischen Größe und Masse auf.
Leider haben wir, wie bei vielen Problemen in der Astronomie, nicht die Beobachtungsgabe, um herauszufinden, ob diese Forschung richtig ist. Bodenbeobachtungen sind für helle Ziele nahe gekommen, aber die Wirtssterne für bekannte Puffplaneten sind zu dunkel. (Die einzige Ausnahme ist HIP 41278 f, das war als neuer Puffplanet angekündigt als das Autorenpaar diesen Artikel fertigstellte.) Wie bei anderen Themen in der Astronomie müssen wir warten, bis das James Webb-Weltraumteleskop etwas Licht in dieses Thema bringt. Keine gegenwärtige Beobachtungseinrichtung ist in der Lage, Ringe um Exoplaneten zu entdecken.
Wenn bestätigt wird, dass einer dieser Exoplaneten Ringe hat, wird dies eine wichtige Entwicklung sein. Ich werde Astronomen ein viel besseres Verständnis davon geben, wie sich die Planetensysteme gebildet und entwickelt haben.