Astronomen haben in einem fernen Sonnensystem einen weiteren seltsamen Exoplaneten gefunden. Dies ist ein Sonderling, weil seine Größe zwischen Erde und Neptun liegt, aber es ist 50% massiver als Neptun.
Astronomen haben in anderen Sonnensystemen sogenannte „Puffplaneten“ gefunden. Das sind Planeten, die ein paar Mal massereicher sind als die Erde, aber mit Radien, die viel größer sind als die von Neptun. Aber dieser Planet ist das Gegenteil davon: Er ist viel massereicher als Neptun, hat aber auch einen viel kleineren Radius. Super dicht, nicht super geschwollen.
Dieser seltsame Planet stellt unser Verständnis von der Entstehung von Planeten in Frage.
Astronomen mit der National Science Foundation NOIRLab untersuchten den Planeten und präsentierten ihre Ergebnisse in einem Papier mit dem Titel „ Der Planetfinder für die bewohnbare Zone zeigt eine hohe Masse und eine geringe Neigung für den jungen Neptun K2-25b .“ Hauptautor ist Gudmundur Stefansson, Postdoc an der Princeton University. Der Artikel wird im The Astronomical Journal veröffentlicht und ist unter arxiv.org verfügbar.
Die Kepler-Mission hat den Planeten 2016 gefunden. Er umkreist K2-25, einen M-Zwergstern im Hyades-Sternhaufen. K2-25b umkreist seinen Stern alle 3,5 Tage. Laut dieser Studie hat es eine Masse von etwa 24,5 Erdmassen und einen Radius von etwa 3,4 Erdradien. In der Einleitung zu ihrer Studie schreiben die Autoren: „Diese Eigenschaften sind mit einem felsigen Kern kompatibel, der von einer dünnen Wasserstoff-Helium-Atmosphäre (5 Masse-%) umgeben ist.“
K2-25b umkreist seinen Wirtsstern K2-25 im Hyades-Sternhaufen. Bildquelle: NOIRLab/NSF/AURA/Digitalized Sky Survey 2
Der Planet hat das Interesse der Astronomen teilweise deshalb geweckt, weil er ein „Sub-Neptun“-Planet ist. EIN Unter-Neptun kann entweder eine größere Masse als die von Neptun und einen kleineren Radius haben, wie dieser hier, oder sie kann weniger massiv als Neptun sein, aber mit einem größeren Radius. In jedem Fall widersprechen Sub-Neptuns unseren Modellen der Planetenentstehung. Zu verstehen, wie diese Arten von Planeten entstehen, ist derzeit eine kritische Frage an der Grenze der Exoplaneten-Wissenschaft.
„K2-25b ist ungewöhnlich“, sagte Gudmundur Stefansson, Postdoc an der Princeton University. „Der Planet ist für seine Größe und sein Alter dicht, im Gegensatz zu anderen jungen, sub-Neptun-großen Planeten, die in der Nähe ihres Wirtssterns kreisen“, sagte Stefansson in a Pressemitteilung . „Normalerweise wird beobachtet, dass diese Welten eine geringe Dichte aufweisen – und einige haben sogar ausgedehnte verdampfende Atmosphären. K2-25b scheint mit den vorliegenden Messungen einen dichten Kern zu haben, entweder felsig oder wasserreich, mit einer dünnen Hülle.“
Astronomische Modelle zeigen, dass sich zuerst große Planeten mit einem felsigen Kern bilden. Die Anfangsmasse für einen Kern ist bescheiden, vielleicht nur 5 bis 10 Mal so viel Masse wie die Erde selbst. Dann sammelt sich Gas um den Kern herum und erzeugt eine gasförmige Hülle, die Hunderte Male massiver ist als die Erde. Der Gasriese Jupiter ist wahrscheinlich auf diese Weise entstanden.
Aber Planeten wie K2-25b scheinen zu zeigen, dass unser Verständnis unvollständig ist. Es scheint einen enorm massiven felsigen Kern mit sehr geringer Gashülle zu haben. Seine ungewöhnlichen Eigenschaften werfen einige Fragen auf: Wie ist es zu einem so massiven Felskern gekommen? Und wie kommt es, dass es keine große Gashülle hat, da es einen so massiven Kern hat?
Eine Illustration einer protoplanetaren Scheibe. Planeten verschmelzen aus dem restlichen Material, aus dem der Stern gebildet wurde. Es bildet sich ein felsiger Kern, der dann eine gasförmige Hülle anzieht. K2-25b ist irgendwie anders. Es hat einen massiven felsigen Kern mit einer kleineren Gashülle. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)
Obwohl wir nicht ganz verstehen, wie K2-25b – und andere ähnliche Planeten – entstehen, ist dieser Planet eine Art natürliches Labor, um sie zu untersuchen. „Angesichts seines bekannten Alters und der gut charakterisierten Bahnparameter“, schreiben die Autoren in ihrem Artikel, „ist K2-25b ein Benchmark-System zur Untersuchung der M-Zwerg-Planetenbildung und der nachfolgenden Dynamik, die uns weitere Einblicke in die Entstehungs- und Migrationsmechanismen gibt, die diese erzeugen andere heiße Neptun-Exoplaneten.“
Angesichts seines großen Kerns hätte es eine enorme Gashülle erhalten sollen. Diese Tatsache, dass es nicht zu mehreren Möglichkeiten führte. Eine dieser Möglichkeiten besteht nach Ansicht der Autoren darin, dass sich der felsige Kern durch Fusionen gebildet hat. „Um seine derzeit beobachtete Masse zu erklären, vermuten wir, dass K2-25b das Produkt von Planetenverschmelzungsereignissen kleinerer Planetenkerne sein könnte, um einen massereicheren Planeten zu erzeugen.“
Diese Abbildung aus der Studie zeigt die Massenradiusebene des Exoplaneten K2-25b mit anderen Exoplaneten sowie den Planeten in unserem eigenen Sonnensystem. Die rote Kurve ist nach bekannten Modellen der Planetenentstehung mit einem felsigen Kern und einer Wasserstoff/Helium-Hülle aufgetragen. Eine genauere Erklärung finden Sie in der Studie. Bildquelle: Stefansson et al., 2020.
Diese Erklärung hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass die Orbitalexzentrizität des Planeten berücksichtigt wird. Sie schreiben: 'Eine solche dynamische Umgebung könnte K2-25b in eine exzentrische Umlaufbahn gebracht haben, und K2-25b könnte dabei sein, durch Gezeitenwechselwirkungen mit dem Wirtsstern in eine Umlaufbahn mit kürzerer Periode zu wandern.'
Entdeckungen wie diese sind häufig das Ergebnis technologischer Fortschritte. Instrumente wie KUGEL , auf dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO), sind für viele neuere Entdeckungen verantwortlich. Aber in diesem Fall war die Technologie, die es möglich machte, ein handelsüblicher Diffusor für 500 US-Dollar. Der leitende Forscher Gudmundur Stefansson entwickelte in seiner Doktorarbeit eine Methode zur Verwendung von Engineered Diffusern.
Ein Beispiel für einen 5 cm x 5 cm (2 Zoll x 2 Zoll) konstruierten Diffusor.
Bildnachweis: Gudmundur Stefansson/RPC Photonics
Ein Engineered Diffusor verteilt das Licht eines Sterns, sodass es mehr Pixel auf der Kamera abdeckt. Dadurch kann die Helligkeit des Sterns während des Planetendurchgangs genauer gemessen werden, was unter anderem zu einer genaueren Messung der Größe des umkreisenden Planeten führt. „Der innovative Diffusor hat es uns ermöglicht, die Form des Transits besser zu definieren und dadurch die Größe, Dichte und Zusammensetzung des Planeten weiter einzuschränken“, sagte Jayadev Rajagopal, ein Astronom am NOIRLab, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.
K2-25b stellt Astronomen einige wichtige Fragen. Antworten auf diese Fragen müssen warten, aber vielleicht nicht zu lange. K2-25b ist ein erstklassiger Kandidat für Folgebeobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop. Der Webb wird über leistungsstarke Koronagraphen an Bord verfügen, die das Licht von Exo-Sonnen blockieren und es einfacher machen, die umkreisenden Planeten zu sehen. Es wird auch im Infraroten beobachten, etwas, was es von seiner Position auf L2 aus herausragen wird.
Der GHOST (Gemini High Resolution Optical SpecTrograph) des Gemini South Telescope hat auch K2-25b auf seiner Liste der Ziele. Es ist ein Spektrograph mit einer „weiten gleichzeitigen Wellenlängenabdeckung bei hoher Beobachtungseffizienz“, so die Website. Es wird sehr effektiv sein, die Atmosphäre von Planeten wie diesem zu beobachten.
Weitere Beobachtungen mit GHOST und dem JWST beantworten möglicherweise nicht alle Fragen, die K2-15b zur Planetenentstehung aufwirft. Aber sie werden die Grenzen dessen erweitern, was wir tun und nichts davon wissen. In der Zwischenzeit werden vielleicht mehr Astronomen kostengünstige Wege finden, um sie anzugehen.
Der Diffusor, der diese Studie so effektiv machte, wurde mit dem WIYN 0,9-Meter-Teleskop am Kitt Peak National Observatory ( KPNO ). Das 3,5-Meter-Teleskop am Apache Point Observatory ( APO ) in New Mexico war ebenfalls Teil der Studie. Die Nationales Forschungslabor für optische Infrarot-Astronomie (NOIRLab) umfasst das Gemini Observatory, das Kitt Peak Obsevatory sowie mehrere andere Einrichtungen und das kommende Vera C. Rubin Observatory.
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