Ein Nichtgasriese mit einer Masse, die 73-mal so groß ist wie die Masse der Erde, verblüfft seine Entdecker – Ars Technica

Wissenschaftler haben an Modellen der Planetenentstehung gearbeitet, schon bevor wir wussten, dass Exoplaneten existieren. Diese Modelle orientierten sich ursprünglich an den Eigenschaften der Planeten in unserem Sonnensystem und erwiesen sich als bemerkenswert gut darin, Exoplaneten zu berücksichtigen, die in unserem Sonnensystem kein Äquivalent haben, wie etwa Supererden und heiße Neptune. Hinzu kommt die Fähigkeit der Planeten, sich dank Gravitationswechselwirkungen zu bewegen, und die Eigenschaften von Exoplaneten können in der Regel berücksichtigt werden.

Heute gibt ein großes internationales Forscherteam die Entdeckung von etwas bekannt, das unsere Modelle nicht erklären können. Er ist etwa so groß wie Neptun, aber etwa viermal größer. Seine Dichte ist viel höher als die von Eisen und bedeutet, dass der gesamte Planet fast vollständig fest ist oder über einen Ozean verfügt, der tief genug ist, um ganze Planeten zu überfluten. Während die Leute, die es entdeckt haben, zwei Theorien für seine Entstehung anbieten, ist keine davon besonders wahrscheinlich.

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Die Erforschung des neuen Planeten begann wie heute viele: Er wurde vom Satelliten Transiting Exoplanet Survey (TOI, für TESS Object of Interest) als Objekt von Interesse identifiziert. TOI-1853 ist ein Stern, der etwas kleiner als unsere Sonne ist und eine Masse von etwa dem 0,8-fachen hat. Es gab klare Hinweise auf einen nahegelegenen Planeten, der jetzt TOI-1853 b heißt. Der Planet umkreist seinen Zentralstern und umrundet ihn in 1,24 Tagen vollständig.

Die Forscher nutzten diese Zeit, um die Entfernung zu bestimmen, die der Planet umkreiste. Basierend auf einer Kombination aus dieser Entfernung, der Größe des Sterns und der Lichtmenge, die der Planet blockiert, ist es möglich, die Größe des Planeten abzuschätzen. Es stellt sich heraus, dass dies etwa dem 3,5-fachen Erdradius entspricht, was bedeutet, dass er nur geringfügig kleiner als Neptun ist.

Das ist an sich nichts Ungewöhnliches. Es wurden viele Planeten von der Größe Neptuns entdeckt. Aber die Kombination aus Größe und Nähe zum Stern ist unerwartet. Es platziert ihn in der sogenannten „heißen Neptunwüste“, wo intensive Strahlung des Sterns aus der Atmosphäre des Planeten schießt. Neptune, die den heißen Wüstenstaat erreichen, berauben sie schließlich ihres felsigen Kerns und machen sie zu Supererden.

Was machte TOI-1853 b also in der Wüste? Um das herauszufinden, nutzten die Forscher bodengestützte Observatorien, um die Bewegung seines Muttersterns zu verfolgen, da sich die Anziehungskraft von TOI-1853 b änderte, während er sich durch seine Umlaufbahn bewegte. Die durch diese Wolke verursachte Beschleunigung der Sternbewegung kann zur Abschätzung der Masse des Planeten genutzt werden.

Es stellt sich heraus, dass TOI-1853 b hat eine Menge Von dem Block. Seine Masse wird auf das 73-fache der Erde oder mehr als das Vierfache der Neptunmasse geschätzt. Das bedeutet natürlich, dass seine Zusammensetzung sich stark von der von Neptun unterscheiden muss.

Innen und außen knusprig?

Die an seiner Entdeckung beteiligten Forscher haben viel Text darauf verwendet, zu beschreiben, wie seltsam TOI-1853 b ist. Es gibt Planeten mit ähnlicher Dichte, die jedoch normalerweise viel kleiner sind. Dabei handelt es sich um Supererden, die durch die Entfernung eines Neptun-ähnlichen Planeten aus seiner Atmosphäre entstehen. Es gibt Planeten mit ähnlichen Massen, aber etwa der doppelten Masse, die wahrscheinlich ausgedehnte Atmosphären und/oder Ozeane hätten. „Es besetzt eine Region des Orbitalhaufens [distance] Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass „das Gebiet heißer Planeten, das zuvor körperlos war, der trockeneren Region der heißen Neptunwüste entspricht.“

Die Kuriositäten enden hier nicht. Angesichts der hier im Spiel befindlichen Dichten sind zwei Kombinationen sinnvoll. Zum einen besteht der Planet wie die Erde fast ausschließlich aus Gesteinsmaterial, wobei eine sehr dünne Atmosphäre höchstens ein Prozent seiner Masse ausmacht. Die Alternative besteht darin, dass die Masse gleichmäßig zwischen dem Gesteinskern und einer riesigen Wasserschicht verteilt wird.

Natürlich wird es nicht das Wasser sein, wie wir es kennen. Aufgrund seiner Nähe zu seinem Mutterstern und dem enormen Druck dieses großen Ozeans wäre zumindest ein Teil dieses Wassers in einem überkritischen Zustand, und der Druck in der Nähe des Gesteinskerns würde das Wasser dazu zwingen, Feststoffe unter hohem Druck zu bilden. Im Inneren des Herzens wird es ebenso seltsam sein. Wie die Forscher anmerken, „bleiben die Eigenschaften der Materie bei solch hohen Zentraldrücken ungewiss.“

Es fällt uns nicht nur schwer, seine Gegenwart zu verstehen, wir sind auch ratlos, wenn es um seine Vergangenheit geht. Kleine Staubpartikel aus der planetenbildenden Scheibe werden sich nicht mehr ansammeln, bevor TOI-1853 b seine aktuelle Masse erreicht, da selbst ein kleinerer Planet die Scheibe zerstören könnte. Es ist unwahrscheinlich, dass es sich an seinem jetzigen Standort gebildet hätte, da Feststoffe dort nur schwer kondensieren können.

Zwei Möglichkeiten, unwahrscheinlich

Die Forscher schlagen zwei Möglichkeiten vor. Einer davon ist, dass sich weiter draußen eine Gruppe kleinerer Planeten bildete und dann ihre Umlaufbahnen destabilisierte, als die Scheibe allmählich verdampfte. Dies hätte zu Kollisionen führen können, die viele Planeten zerschmetterten, deren Trümmer dann einen einzigen Körper bildeten. Aber bei diesen Prozessen entstehen in der Regel keine einzelnen Körper, und es wären wahrscheinlich viele Planeten nötig, um das Äquivalent von 73 Erden an Material zu transportieren.

Die Alternative besteht darin, dass sich mehrere Gasriesen viel weiter entfernt gebildet haben und sich dann gegenseitig in ihren Umlaufbahnen destabilisiert haben, sodass einer stark exzentrisch zurückblieb und ein Teil der Umlaufbahn extrem nahe am Wirtsstern war. Dies würde es ihm ermöglichen, Material aus den inneren Teilen der Planetenscheibe zu sammeln, ein Prozess, der es einem jupiterähnlichen Planeten ermöglichen könnte, seine Masse nahezu zu verdoppeln. Seine maximale Umlaufbahn würde es ihm auch ermöglichen, seine Atmosphäre auf den Stern zu übertragen. Sobald diese Prozesse abgeschlossen sind, werden die Gezeitenwechselwirkungen zwischen dem Planeten und dem Stern seine Umlaufbahn schließlich regelmäßiger machen.

An keinem dieser möglichen Entstehungsmechanismen ist physikalisch etwas Unmögliches, aber beide erfordern eine Reihe unerwarteter Ereignisse. Das Universum ist groß und es ist möglich, dass diese Dinge irgendwo passieren, aber es erscheint unvernünftig zu erwarten, dass wir ihre Konsequenzen so schnell erkennen.

Das Einzige, was uns helfen könnte, den Ursprung von TOI-1853 b zu verstehen, ist die Anwesenheit anderer Planeten im System, die uns helfen könnten, zu verstehen, was in den inneren Teilen dieses äußeren Systems vor sich ging. TOI-1853 b ist so groß und so nah, dass er ein massives Signal aussendet, und wir hätten Schwierigkeiten gehabt, andere Planeten in diesem System zu entdecken. Die Forscher schätzen, dass auch etwas mit der Masse von zehn Erden in der Nähe des Sterns kreisen könnte, aber das hatten wir übersehen. Kontinuierliches Feedback kann der Schlüssel zum Verständnis des Systems sein.

Natur, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06499-2 (über digitale Identifikatoren).