Die Erforschung extrasolarer Planeten ist in den letzten Jahren wirklich explodiert. Derzeit konnten Astronomen die Existenz von 4.104 Planeten jenseits unseres Sonnensystems, weitere 4900 warten auf ihre Bestätigung. Das Studium dieser vielen Planeten hat Dinge über die Bandbreite möglicher Planeten in unserem Universum enthüllt und uns gelehrt, dass es viele gibt, für die es in unserem Sonnensystem keine Analoga gibt.
Zum Beispiel dank neuer Daten, die von der Hubble-Weltraumteleskop Astronomen haben mehr über eine neue Klasse von Exoplaneten erfahren, die als „ super-puff “ Planeten. Planeten dieser Klasse sind im Wesentlichen junge Gasriesen, die in ihrer Größe mit Jupiter vergleichbar sind, aber eine Masse haben, die nur ein paar Mal größer ist als die der Erde. Dies führt dazu, dass ihre Atmosphären die Dichte von Zuckerwatte haben, daher der entzückende Spitzname!
Die einzigen bekannten Beispiele dieses Planeten befinden sich im Kepler-51-System, einem jungen sonnenähnlichen Stern, der etwa 2.615 Lichtjahre entfernt im Sternbild Cygnus . Innerhalb dieses Systems wurden drei Exoplaneten bestätigt (Kepler-51 b, c und d), die zuerst von den Kepler-Weltraumteleskop im Jahr 2012. Die Dichte dieser Planeten wurde jedoch erst 2014 bestätigt, und das war eine ziemliche Überraschung.
Die drei Riesenplaneten umkreisen den sonnenähnlichen Stern Kepler 51 im Vergleich zu einigen Planeten unseres Sonnensystems. Credits: NASA, ESA und L. Hustak und J. Olmsted (STScI)
Diese Gasriesen haben zwar Atmosphären, die aus Wasserstoff und Helium bestehen und ungefähr die gleiche Größe wie Jupiter haben, sind aber auch in Bezug auf die Masse etwa hundertmal leichter. Wie und warum sich ihre Atmosphären so aufblähen, bleibt ein Rätsel, aber die Tatsache bleibt, dass die Natur ihrer Atmosphären Super-Puff-Planeten zu einem erstklassigen Kandidaten für die atmosphärische Analyse macht.
Genau das leistet ein internationales Astronomenteam – angeführt von Jessica Libby-Roberts vom Zentrum für Astrophysik und Weltraumastronomie (CASA) an der University of Colorado, Boulder – angestrebt. Daten von verwendenHubble, Libby-Roberts und ihr Team analysierten Spektren aus den Atmosphären von Kepler-51 b und d, um zu sehen, welche Komponenten (einschließlich Wasser) dort waren.
Als diese Planeten vor ihrem Stern vorbeizogen, wurde das von ihrer Atmosphäre absorbierte Licht im Infrarotbereich untersucht. Zur Überraschung des Teams stellten sie fest, dass die Spektren beider Planeten keine verräterischen chemischen Signaturen aufwiesen. Dies führten sie auf das Vorhandensein von Wolken aus Salzkristallen oder photochemischen Trübungen in ihrer Atmosphäre zurück.
Daher stützte sich das Team auf Computersimulationen und andere Werkzeuge, um zu theoretisieren, dass die Kepler-51-Planeten hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen, die von einem dicken Dunst aus Methan bedeckt sind. Dies ist vergleichbar mit dem, was in Titans Atmosphäre (Saturns größtem Mond) vor sich geht, wo die überwiegend Stickstoffatmosphäre Wolken von Methangas enthält, die die Oberfläche verdecken.
Künstlerische Illustration des neu entdeckten Gasriesenplaneten GJ 3512b, der einen roten Zwergstern umkreist. Bildnachweis: Guillem Anglada-Escude – IEEC/Science-wave, mit SpaceEngine.org (CC BY 4.0)
'Das war völlig unerwartet', sagte Libby-Roberts. „Wir hatten geplant, große Wasseraufnahmemerkmale zu beobachten, aber sie waren einfach nicht da. Wir waren getrübt!“ Diese Wolken lieferten dem Team jedoch wertvolle Einblicke in den Vergleich von Kepler-51 b und d mit anderen massearmen, gasreichen Exoplaneten, die von Astronomen beobachtet wurden. Wie Libby-Roberts in einem CU Boulder erklärte Pressemitteilung :
„Wir wussten, dass sie eine geringe Dichte hatten. Aber wenn man sich einen Jupiter-großen Ball aus Zuckerwatte vorstellt – das ist wirklich eine geringe Dichte… Es hat uns definitiv dazu gebracht, uns auszudenken, was hier los sein könnte. Wir hatten erwartet, Wasser zu finden, aber wir konnten die Signaturen eines Moleküls nicht beobachten.“
Das Team war auch in der Lage, die Größe und Masse dieser Planeten durch Messung ihrer Timing-Effekte besser einzugrenzen. In allen Systemen treten aufgrund ihrer Anziehungskraft leichte Veränderungen in der Umlaufperiode eines Planeten auf, aus denen die Masse eines Planeten abgeleitet werden kann. Die Ergebnisse des Teams stimmten mit früheren Schätzungen für Kepler-51 b überein, während die Schätzungen für Kepler-51 d darauf hindeuteten, dass es etwas weniger massiv (auch bekannt als geschwollen) ist als bisher angenommen.
Das Team verglich auch die Spektren der beiden Super-Puffs mit denen anderer Planeten und erhielt Ergebnisse, die darauf hindeuteten, dass die Wolken-/Dunstbildung mit der Temperatur eines Planeten zusammenhängt. Dies unterstützt die Hypothese, dass ein Planet umso bewölkter ist, je kühler er ist, worüber Astronomen dank der jüngsten Entdeckungen von Exoplaneten nachgedacht haben.
Mini-Neptun-Planeten sind etwa 1,5- bis 4-mal so groß wie die Erde und haben einen felsigen Kern und eine geschwollene Gashülle unterschiedlicher Dicke. Bildnachweis: Geoff Marcy
Zu guter Letzt beobachtete das Team, dass sowohl Kepler-51 b als auch d schnell Gas zu verlieren scheinen. Tatsächlich schätzt das Team, dass der ehemalige Planet (der seinem Mutterstern am nächsten ist) jede Sekunde zig Milliarden Tonnen Material in den Weltraum schleudert. Wenn dieser Trend anhält, werden die Planeten in den nächsten Milliarden Jahren stark schrumpfen und könnten zu Mini-Neptunen werden.
In dieser Hinsicht würde dies darauf hindeuten, dass die Exoplaneten gar nicht so selten sind, so dass Mini-Neptuns sehr häufig zu sein scheinen. Es deutet auch darauf hin, dass die geringen Dichten der Super-Puff-Planeten dem Alter des Systems zugeschrieben werden. Während das Sonnensystem etwa 4,6 Milliarden Jahre alt ist, gibt es Kepler-51 erst seit 500 Millionen Jahren.
Die vom Team verwendeten Planetenmodelle deuten darauf hin, dass sich die Planeten wahrscheinlich jenseits der Frostlinie von Kepler-51 – der Grenze, hinter der flüchtige Elemente gefrieren werden – gebildet und dann nach innen gewandert sind. Kepler-51 b und d sind also keine seltsamen Planeten, sondern die ersten Beispiele, die Astronomen in den frühen Entwicklungsstadien eines der am häufigsten vorkommenden Planetentypen in unserem Universum gesehen haben.
Wie Zach Berta-Thompson (ein Assistenz-APS-Professor und Mitautor der neuen Forschung) erklärte, macht dies Kepler-51 zu einem „einzigartigen Labor“ zum Testen von Theorien der frühen Planetenentwicklung:
„Dies ist ein extremes Beispiel dafür, was an Exoplaneten im Allgemeinen so cool ist. Sie geben uns die Möglichkeit, Welten zu studieren, die ganz anders sind als unsere, aber sie stellen auch die Planeten unseres eigenen Sonnensystems in einen größeren Zusammenhang.“
Illustration des James Webb-Weltraumteleskops der NASA. Credits: NASA
In Zukunft wird der Einsatz von Instrumenten der nächsten Generation wie dem James Webb Weltraumteleskop (JWST) wird Astronomen helfen, die Atmosphäre der Kepler-51-Planeten und anderer Super-Puffs zu untersuchen. Dank der Empfindlichkeit des JWST für längere Infrarotwellenlängen können wir möglicherweise noch durch ihre dichten Wolken blicken und feststellen, woraus diese „Zuckerwatte“-Planeten tatsächlich bestehen.
Es ist auch eine weitere Feder in der Mütze des VerehrtenHubble,die seit etwa dreißig Jahren (seit Mai 1990) im Dauerbetrieb ist und immer wieder Licht in kosmische Mysterien wirft! Da passt es nur, dass sie noch immer Funde macht, die in Kürze weiter untersucht werden sollenJames Webb, sein geistiger Nachfolger.
Die Studie, die die Forschung des Teams detailliert beschreibt, ist kürzlich online erschienen und wird in . erscheinen Das Astrophysikalische Journal .
Weiterlesen: NASA , CU Boulder heute , arXiv