Jupiter ist der größte Planet im Sonnensystem. In Bezug auf die Masse überragt Jupiter die anderen Planeten. Würden Sie alle anderen Planeten zu einer einzigen Masse zusammenfassen, wäre Jupiter immer noch 2,5-mal massereicher. Es ist schwer zu unterschätzen, wie groß Jupiter ist. Aber da wir in den letzten Jahrzehnten Tausende von Exoplaneten entdeckt haben, wirft dies eine interessante Frage im Vergleich zu Jupiter auf. Anders ausgedrückt: Wie groß kann ein Planet sein? Die Antwort ist subtiler, als Sie vielleicht denken.
Die einfache Antwort ist, dass ein großer Planet alles andere als klein ist, um ein Stern zu sein. Die übliche Definition für einen Stern lautet, dass er groß genug sein muss, um in seinem Kern Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen. Ein Hauptreihenstern ist ein Stern, bei dem die durch die Fusion erzeugte Hitze und der Druck durch das Gravitationsgewicht des Sterns ausgeglichen werden.
Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, und man kann davon ausgehen, dass die größten Planeten eine ähnliche Zusammensetzung haben. Die Sonne besteht zu etwa 75 % aus Wasserstoff und 24 % Helium, wobei die anderen 1 % aus schwereren Elementen bestehen. Jupiter besteht zu etwa 71 % aus Wasserstoff, 24 % Helium und 5 % anderen. Nehmen wir also an, jeder große Planet besteht aus 3 Teilen Wasserstoff zu 1 Teil
Helium.
Solange keine Fusion stattfindet, befindet sich ein großer Planet in einem Zustand von hydrostatisches Gleichgewicht. Das bedeutet, dass das Gewicht all des Gases, das versucht, auf sich selbst zu kollabieren, durch den Druck des Gases ausgeglichen wird, das nicht zusammengedrückt werden möchte. Je mehr Masse Sie haben, desto mehr wird der Innenraum gequetscht und desto heißer wird es. Bei genügend Masse wird das Innere heiß genug, damit Wasserstoff zu Helium verschmelzen kann. Diese kritische Masse beträgt etwa 80 Jupiter. Alles mit mehr Masse muss ein Stern sein.
Aber das ist nicht die beste Obergrenze, denn es gibt im Universum Objekte, die als Braune Zwerge bekannt sind. Diese Objekte sind sternförmig, weil sie sich nicht im hydrostatischen Gleichgewicht befinden. Ihr Inneres erzeugt Wärme wie ein Stern, und sie können sogar Wasserstoff zu Deuterium verschmelzen, nur nicht zu Helium. Andererseits haben die kleinsten Braunen Zwerge kühle, wolkige Oberflächen und würden wie ein Planet aussehen. Die untere Massengrenze für einen Braunen Zwerg liegt bei etwa 13 Jupitermassen.
In Bezug auf die Masse sind 13 Jupitermassen eine gute Obergrenze. Aber wenn es um große Planeten geht, sind die massereichsten nicht wirklich die größten.
Geschätzte Planetengrößen nach Masse im Vergleich zu beobachteten Exoplaneten. Credit: Chen und Kipping
Im Gegensatz zu Feststoffen, die sich unter Druck nicht stark komprimieren, können Gase erheblich komprimieren. Wenn Sie also einem Gasplaneten Masse hinzufügen, nimmt sein Volumen nicht um den gleichen Betrag zu. Jupiter zum Beispiel hat die dreifache Masse von Saturn, ist aber weniger als 20 Vol.-% größer. Zurück zu unserem Modell des hydrostatischen Gleichgewichts: Die massereichsten Planeten sind tatsächlich kleiner als Jupiter.
Vor einigen Jahren untersuchten Jingjing Chen und David Kipping, wie die Größe von Planeten je nach ihrer Masse variieren kann.[^1] Sie fanden heraus, dass es einen Übergangspunkt zwischen Neptun-ähnlichen Welten gibt, an denen mehr Masse dazu neigt, ihre Größe zu vergrößern, und Jupiter -Typ Welten, in denen mehr Masse dazu neigt, das Gas einfach mehr zu komprimieren. Dieser kritische Punkt ist etwa die Hälfte der Masse des Jupiter, also sollten die größten Planeten etwa diese Masse haben. Dies stimmt mit der Beobachtung überein. Der größte bestätigte Exoplanet ist WASP-17b. Es ist ungefähr doppelt so groß wie Jupiter, hat aber nur 49% der Masse des Jupiter.
Einige der größten Exoplaneten im Vergleich. Bildnachweis: NASA/ESA/Hubble
Natürlich spielen auch andere Faktoren eine Rolle, wie Zusammensetzung und Temperatur. Die größten bekannten Exoplaneten sind in der Regel heiße Jupiter, die in der Nähe ihres Sterns kreisen. Dies bedeutet, dass sie viel wärmer und weniger dicht sind als ein kalter Jupiter-Planet wie Jupiter. Jupiter hat auch einen dichten Gesteinskern, was bedeutet, dass er kleiner ist, als wenn er nur aus Wasserstoff und Helium bestehen würde.
Aber selbst unter Berücksichtigung dieser Faktoren sind Jupiterplaneten eindeutig sowohl die größten als auch die massereichsten Planeten, die existieren können. Jupiter ist nicht der größte Planet im Universum, aber einer der Riesen.
Quelle: Probabilistische Vorhersage der Massen und Radien anderer Welten , von Chen, Jingjing und David Kipping.
