Als Astronomen vor zwei Jahrzehnten den ersten Exoplaneten um einen gewöhnlichen Stern entdeckten, freuten sie sich gleichzeitig und waren ratlos: Der offene Planet 51 Pegasus b war eineinhalb Mal so massereich wie Jupiter, befand sich aber gleichzeitig extrem nahe am Stern: Er macht eine Umdrehung in nur vier Tagen viel schneller als Merkur, der der Sonne am nächsten gelegene Planet, macht in 88 Tagen eine Revolution. Theoretiker, die die Planetenbildung studierten, sahen keine Möglichkeit zur Planetenbildung und zum Wachstum in einer solchen Nähe zu einem neugeborenen Stern. Vielleicht war dies eine Ausnahme von der Regel, aber bald wurden mehrere weitere heiße Jupiter entdeckt, zu denen sich andere seltsame Planeten gesellten: in langgestreckten und stark geneigten Bahnen und sogar gegen die Drehrichtung des Muttersterns.
Die Jagd nach Exoplaneten hat sich seit dem Start des Kepler-Weltraumteleskops im Jahr 2009 beschleunigt, und die 2.500 entdeckten Welten haben Statistiken zur Untersuchung von Exoplaneten hinzugefügt - und dies hat noch mehr Verwirrung gestiftet. Kepler entdeckte, dass der häufigste Planetentyp in der Galaxie irgendwo zwischen Erde und Neptun liegt - Supererden, die keine Analoga in unserem Sonnensystem haben und als nahezu unmöglich angesehen wurden. Moderne bodengestützte Teleskope erfassen Licht direkt von Exoplaneten, anstatt ihre Anwesenheit indirekt zu erfassen, wie es Kepler tut, und diese Daten sind ebenfalls ungewöhnlich. Es wurden Riesenplaneten mit einer Masse entdeckt, die um ein Vielfaches größer ist als die Masse des Jupiter. Die Entfernung zu den Elternsternen ist doppelt so groß wie die Entfernung von Neptun zur Sonne - das heißt, sie befinden sich in einer anderen Region.wo Theoretiker die Geburt großer Planeten für unmöglich hielten.
"Es war von Anfang an klar, dass die Beobachtungen nicht sehr gut zur Theorie passten", sagt Bruce McIntosh, Physiker an der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien. "Es gab nie einen Moment, in dem die Theorie die Beobachtung bestätigt hat."
Theoretiker versuchen Szenarien für "wachsende" Planeten an Orten zu erstellen, die einst als verboten galten. Sie gehen davon aus, dass sich Planeten in viel beweglicheren und chaotischeren Umgebungen bilden können, als sie es sich jemals vorgestellt hatten, wobei entstehende Planeten von kreisförmigen Umlaufbahnen in der Nähe des Sterns zu länglicheren und weiter entfernten wechseln. Der ständig wachsende Zoo exotischer Planeten, den Forscher beobachten, bedeutet jedoch, dass jedes neue Modell vorläufig ist. „Jeden Tag kann man etwas Neues entdecken“, sagt der Astrophysiker Thomas Henning vom Institut für Astronomie. Max Planck in Heidelberg. "Es ist, als würde man während des Goldrausches neue Felder entdecken."
Das traditionelle Modell für die Bildung von Sternen und ihren Planeten stammt aus dem 18. Jahrhundert, als Wissenschaftler vorschlugen, dass eine langsam rotierende Staub- und Gaswolke unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen könnte. Der größte Teil des Materials bildet eine Kugel, die sich zusammenzieht, erwärmt und zu einem Stern wird, wenn sein Zentrum dicht und heiß genug wird, um thermonukleare Reaktionen auszulösen. Schwerkraft und Drehimpuls sammeln das verbleibende Material um den Protostern herum zu einer flachen Scheibe aus Gas und Staub. Bei der Bewegung entlang dieser Scheibe kollidieren Materialpartikel und "kleben" durch elektromagnetische Kräfte zusammen. Im Laufe von mehreren Millionen Jahren wachsen die Partikel zu Körnern, Kieselsteinen, Felsbrocken und schließlich kilometerlangen Planetesimalen.
In diesem Moment übernimmt die Schwerkraft, es kommt zu Kollisionen von Planetesimalen und der Raum wird vollständig von Staub befreit, wodurch sich mehrere vollwertige Planeten bilden. Zu diesem Zeitpunkt wird der größte Teil des Gases im inneren Teil der Scheibe entweder vom Stern absorbiert oder von seinem Sternwind weggeblasen. Der Mangel an Gas bedeutet, dass die inneren Planeten weitgehend felsig bleiben und eine dünne Atmosphäre haben.
Dieser Wachstumsprozess, der als Kernakkretion bezeichnet wird, ist in den äußeren Teilen der Scheibe schneller, wo die Temperaturen niedrig genug sind, um Wasser einzufrieren. Eis ergänzt in diesem Fall den Staub, wodurch sich Protoplaneten schneller verfestigen können. Das Ergebnis ist ein fester Kern, der fünf- bis zehnmal schwerer als die Erde ist - schnell genug, damit der äußere Bereich der protoplanetaren Scheibe reich an Gas bleibt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft "zieht" der Kern das Gas von der Scheibe auf sich selbst und erzeugt einen Gasriesen wie Jupiter. Eines der Ziele des Juno-Raumschiffs, das Anfang dieses Monats nach Jupiter geflogen ist, ist es übrigens, festzustellen, ob der Planet wirklich einen massiven Kern hat.
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Dieses Szenario schafft ein Planetensystem ähnlich unserem: kleine felsige Planeten mit einer dünnen Atmosphäre befinden sich in der Nähe des Sterns; Es gibt einen Gasriesen wie Jupiter direkt außerhalb der Schneegrenze (wo die Temperatur kalt genug ist, damit das Wasser gefrieren kann), und andere Riesen tauchen allmählich in größeren Entfernungen auf und werden kleiner, weil sie sich in ihren Umlaufbahnen langsamer bewegen und mehr benötigen Zeit zum Sammeln des protoplanetaren Scheibenmaterials. Alle Planeten bleiben ungefähr dort, wo sie sich gebildet haben, und bewegen sich in kreisförmigen Bahnen in derselben Ebene. Schön und ordentlich.
Aber die Entdeckung heißer Jupiter deutete darauf hin, dass etwas ernsthaft mit der Theorie unvereinbar war. Ein Planet mit einer Umlaufbahn, deren Umlaufbahn nur wenige Tage dauert, befindet sich sehr nahe an einem Stern, wodurch die Menge an Material, die er bilden kann, begrenzt wird. Es schien unverständlich, dass sich an einem solchen Ort ein Gasriese bilden könnte. Und die unvermeidliche Schlussfolgerung ist, dass sich ein solcher Planet wesentlich weiter von seinem Stern entfernt hätte bilden müssen.
Theoretiker haben zwei mögliche Mechanismen entwickelt, um das Planetendeck zu mischen. Die erste, als Migration bekannte, erfordert viel Material, um auf der Scheibe zu bleiben, nachdem sich der Riesenplanet gebildet hat. Die Schwerkraft des Planeten verzerrt die Scheibe und erzeugt Bereiche mit höherer Dichte, die wiederum einen Gravitationseffekt auf den Planeten ausüben und ihn allmählich von der Scheibe nach innen zum Stern driften lassen.
Es gibt Belege für diese Idee. Benachbarte Planeten befinden sich häufig in einem stabilen Gravitations- "Bündel", das als Orbitalresonanz bekannt ist - das heißt, die Längen ihrer Umlaufbahnen sind als kleine ganze Zahlen verwandt. Wenn sich Pluto beispielsweise zweimal um die Sonne dreht, hat Neptun Zeit, sich genau dreimal umzudrehen. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass dies zufällig geschah, daher geschah dies höchstwahrscheinlich während der Migration, wodurch den Planeten zusätzliche Gravitationsstabilität verliehen wurde. Die Migration zu Beginn der Geschichte unseres Sonnensystems könnte andere Kuriositäten erklären, einschließlich der geringen Größe des Mars und des Asteroidengürtels. Um sie zu erklären, entwickelten die Theoretiker die Hypothese der "großen Ablenkung", bei der sich Jupiter zunächst näher an der Sonne bildete, danach fast bis zur Erdumlaufbahn nach innen driftete, Material sammelte und damit den Mars davon "beraubte".und nach der Bildung des Saturn kehrte er unter dem Einfluss der Schwerkraft und des Gasdrucks im inneren Bereich der Scheibe zurück und "trieb" die Reste von Staub und Planetesimalen in den Asteroidengürtel.
Einige Modellierer finden solche Szenarien unnötig komplex. "Ich glaube wirklich an Occams Rasiermesser ('Was mit weniger [Annahmen] gemacht werden kann, sollte nicht mit mehr gemacht werden' - ungefähr übersetzt)", sagt Greg Laughlin, Astronom an der University of California in Santa Cruz). Laughlin argumentiert, dass sich die Planeten höchstwahrscheinlich an derselben Stelle gebildet haben, an der wir sie jetzt sehen. Er sagt, dass sich große Planeten in der Nähe ihres Sterns bilden könnten, wenn die protoplanetaren Scheiben viel mehr Material enthalten als bisher angenommen. Es kann immer noch zu Planetenbewegungen kommen - genug, um beispielsweise Resonanzen zu erklären, aber "dies ist die letzte Optimierung, nicht die Hauptpipeline", sagt Laughlin.
Aber andere Theoretiker sagen, dass es einfach nicht genug Material geben kann, um Planeten zu bilden, die so nah an den Sternen liegen, wie 51 Pegasus b und andere, die noch näher sind. "Sie hätten sich nicht an ihrer Stelle bilden können", sagt der Physiker Joshua Wynn vom Massachusetts Institute of Technology rundheraus. Und ein erheblicher Anteil der Exoplaneten, die sich in länglichen, geneigten oder sogar umgekehrten Umlaufbahnen befinden, scheint auch eine Art Mischen des Planetensystems zu implizieren.
Um diese Kuriositäten zu erklären, zitieren Theoretiker eine "Nahkampfwaffe" - die Schwerkraft, nicht die sedierende Migration. Die materialreiche protoplanetare Scheibe könnte viele Planeten nahe beieinander erzeugen, wobei der Einfluss der Schwerkraft die Umlaufbahnen einiger von ihnen nahe an den Stern bringen, kippen und sogar den Planeten ganz aus dem System werfen könnte. Ein weiterer potenzieller Zerstörer ist ein Begleitstern in einer länglichen Umlaufbahn. Meistens ist es zu weit weg, um einen signifikanten Einfluss auf das Planetensystem zu haben, aber in der Nähe könnte es die Umlaufbahnen der Planeten erheblich "mischen". Wenn der Elternstern Mitglied eines eng verbundenen Sternhaufens ist, kann der benachbarte Stern nahe genug kommen, um seine Umlaufbahnen zu mischen oder sogar einen oder mehrere Planeten für sich selbst zu „ergreifen“."Es gibt viele Möglichkeiten, ein Planetensystem zu zerschlagen", sagt Wynn.
Eine unerwartete Schlussfolgerung wurde von Forschern gezogen, die die von Kepler gefundenen Planeten untersuchten - es stellte sich heraus, dass 60% der Supererden, die sonnenähnliche Sterne umkreisen, sich signifikant von dem unterscheiden, was wir im Sonnensystem beobachten, und ein Umdenken bestehender Theorien erfordern. Die meisten Supererden, die größtenteils fest mit kleinen Gasmengen sind, folgen Umlaufbahnen, die näher an Sternen als an der Erde liegen, und oft haben Sterne mehr als einen solchen Planeten. Zum Beispiel hat das Kepler-80-System vier Super-Erden, alle mit Umlaufbahnen von 9 Tagen oder weniger. Die konventionelle Theorie besagt, dass die Akkretion innerhalb einer Schneegrenze zu langsam ist, um etwas so Großes zu produzieren. Aber Supererden sind selten in Resonanzbahnen zu finden, was darauf hindeutet, dass sie nicht gewandert sind, sondern sich sofort dort gebildet haben, wo wir sie finden.
Forscher finden neue Wege, um dieses Problem zu lösen. Eine Idee besteht darin, die Akkretion mithilfe eines als Kieselakkretion bekannten Prozesses zu beschleunigen. Die gasreiche Scheibe hat einen großen Einfluss auf Objekte in Kieselgröße. Dies verlangsamt sie normalerweise und zwingt sie, näher an den Stern heranzudringen. Aber je näher sie dem Stern sind, desto höher ist die Dichte, und infolgedessen nimmt die Bildungsrate von Planetesimalen mit abnehmendem Abstand zum Stern zu. Eine beschleunigte Akkretion und eine gasreiche Scheibe werfen jedoch ein eigenes Problem auf: In diesem Fall sollten Supererden eine dicke Atmosphäre erhalten, wenn sie eine bestimmte Größe überschreiten. "Wie verhindern Sie, dass sie zu Gasriesen werden?" fragt der Astrophysiker Roman Rafikov vom Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey.
Eugene Chang, Astronom an der University of California in Berkeley, sagt, dass es nicht notwendig ist, die Akkretion zu beschleunigen, solange die Scheibe gesättigt und reich an Gas ist. Ihm zufolge könnte die innere Scheibe, die zehnmal dichter ist als diejenige, die das Sonnensystem gebildet hat, leicht eine oder mehrere Supererden erzeugen, die in den letzten Tagen der protoplanetaren Scheibe auftreten werden, wenn sich der größte Teil des Gases bereits aufgelöst hat.
Einige vorläufige Beobachtungen des ALMA-Teleskops mit großem mm / Submillimeter in Nordchile stützen diesen Vorschlag. ALMA kann Funkemissionen von Staub und Kies in protoplanetaren Scheiben visualisieren, und die wenigen Scheiben, die es bisher untersucht hat, scheinen relativ massiv zu sein. Die Beobachtungen sind jedoch noch nicht die endgültige Wahrheit, da ALMA noch nicht voll funktionsfähig ist und nur zur Beobachtung der äußeren Teile der Scheiben und nicht der Regionen verwendet werden kann, in denen sich die Supererden befinden. „Wir können die Innenbereiche sehen, wenn ALMA alle 66 Antennen verwenden kann“, sagt Chang.
Chang hat auch eine Erklärung für Keplers andere Entdeckung: Superpuffs, eine seltene und ebenso problematische Art von Planeten, die leichter als Supererden sind, aber aufgrund ihrer üppigen Atmosphäre, die 20% ihrer Masse ausmacht, riesig erscheinen. Es wird angenommen, dass sich solche Planeten in einer gasreichen Scheibe bilden. In der inneren Scheibe kann ein solches Volumen an heißem Gas jedoch nicht durch die Kräfte der schwachen Schwerkraft des Protoplaneten gehalten werden, so dass das kalte und dichte Gas der äußeren Scheibe ein wahrscheinlicherer Ort für die Entstehung solcher Planeten ist. Chang führt ihre sternnahen Umlaufbahnen auf Migration zurück, eine Behauptung, die durch die Tatsache gestützt wird, dass Superpuffs häufig in Resonanzumlaufbahnen gefangen sind.
Bisher konzentrierte sich die meiste Aufmerksamkeit in der Exoplanetenforschung auf die inneren Teile von Planetensystemen, bis zu einer Entfernung, die der Umlaufbahn des Jupiter entspricht, aus dem einfachen Grund, dass alle vorhandenen Methoden zum Nachweis von Exoplaneten es nicht erlauben, sie in größerer Entfernung vom Stern zu finden. Zwei Hauptmethoden - das Messen der Schwingungen von Sternen, die durch den Gravitationseinfluss von Planeten verursacht werden, und das Messen der periodischen Verdunkelung der Scheibe eines Sterns beim Durchlaufen von Planeten - ermöglichen es Ihnen, große Planeten in engen Umlaufbahnen zu finden. Das Aufnehmen von Bildern der Planeten selbst ist äußerst schwierig, da ihr schwaches Licht fast vom Licht ihrer Sterne übertönt wird, das milliardenfach heller sein kann.
Durch die Nutzung der größten Teleskope der Welt konnten Astronomen mehrere Planeten sehen. Das spektropolarimetrische Hochkontrastsystem (SPHERE) und der Twin Planet Imager (GPI), die in Chile zu großen Teleskopen hinzugefügt wurden, sind mit hoch entwickelten Masken ausgestattet, die als Koronagraphien bezeichnet werden, um das Sternenlicht auszublenden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Planeten, die weit von ihren Sternen entfernt sind, die einfachsten Ziele für sie sind.
Eines der frühesten und auffälligsten Planetensysteme, das durch direkte Bildgebung entdeckt wurde, ist das um HR 8799, wo sich vier Planeten vom Stern in Entfernungen von der Umlaufbahn des Saturn bis zu mehr als der doppelten Umlaufbahn von Neptun befinden. Das Erstaunlichste ist, dass alle vier Planeten riesig sind, mehr als das Fünffache der Masse des Jupiter. Nach der Theorie bewegen sich die Planeten in so weit entfernten Umlaufbahnen so langsam, dass sie mit der Geschwindigkeit einer Schnecke wachsen und Massen ansammeln sollten, deutlich weniger als die von Jupiter, wenn die Gas- und Staubscheibe verschwindet. Und dennoch deuten ihre "guten" Kreisbahnen darauf hin, dass sie sich sofort auf ihnen gebildet haben und nicht aus Gebieten, die näher am Stern liegen, zu ihnen gewandert sind.
Solche fernen Riesen stützen die radikalste Theorie, in der einige Planeten nicht durch Akkretion, sondern durch die sogenannte Gravitationsinstabilität gebildet werden. Dieser Prozess erfordert eine gasreiche protoplanetare Scheibe, die unter ihrer eigenen Schwerkraft in "Klumpen" zerbricht. Diese Gasansammlungen verbinden sich schließlich und kollabieren zu Gasplaneten, ohne einen festen Kern zu bilden. Die Modelle gehen davon aus, dass der Mechanismus nur unter bestimmten Umständen funktioniert: Das Gas muss kalt sein, es darf sich nicht zu schnell drehen und das Druckgas muss in der Lage sein, Wärme effizient abzuleiten. Könnte diese Theorie die Planeten um HR 8799 erklären? Rafikov sagt, dass nur die beiden äußeren Planeten weit genug und kalt sind. "Es ist immer noch ein ziemlich kryptisches System", sagt er.
In der Vergangenheit haben Radioteleskopbeobachtungen von protoplanetaren Scheiben die Theorie der Gravitationsinstabilität etwas unterstützt. Teleskope waren empfindlich gegenüber kaltem Gas und fanden Scheiben, die mit Gasansammlungen "bespritzt" waren. Aber die neuesten Bilder von ALMA zeichnen ein anderes Bild. ALMA ist empfindlich bei kürzeren Wellenlängen, bei denen Staubkörner in der Mittelebene der Scheibe emittieren, und seine Bilder des Sterns HL Tauri von 2014 und TW Hydrae in diesem Jahr zeigten glatte symmetrische Scheiben mit dunklen kreisförmigen "Lücken", die weit darüber hinausreichen die Umlaufbahn von Neptun (siehe Abbildung unten). „Es war eine erstaunliche Überraschung. Die Scheibe war nicht chaotisch, sie hatte eine angenehme, regelmäßige, schöne Struktur “, sagt Rafikov. Diese Lücken, die auf die Planeten hinweisen, die sie gemacht haben,sprechen Sie sich eindeutig für das Akkretionsmodell aus, das den Befürwortern des Gravitationsinstabilitätsmodells einen Schlag versetzt.
Es ist noch zu früh, um zu sagen, welche weiteren Überraschungen GPI und SPHERE haben werden. Die Region zwischen den entfernten Regionen von Planetensystemen und der nahe gelegenen Umgebung von Sternen mit heißen Jupitern und Supererden bleibt jedoch hartnäckig unerreichbar: zu nah am Stern für eine direkte Visualisierung und zu weit für indirekte Methoden, die auf Schwingungen oder Verdunkelung des Muttersterns beruhen. Infolgedessen ist es für Theoretiker schwierig, sich ein vollständiges Bild davon zu machen, wie exoplanetare Systeme aussehen. "Wir stützen uns auf fragmentarische und unvollständige Beobachtungen", sagt Laughlin. "Im Moment sind wahrscheinlich alle Annahmen falsch."
Astronomen müssen nicht lange auf neue Daten warten. Die NASA wird im nächsten Jahr den Exoplanet Imaging Satellite (TESS) starten. Zu diesem Zeitpunkt wird die Europäische Weltraumorganisation (ESA) voraussichtlich auch einen Exoplanet Characterization Satellite (CHEOPS) starten. Im Gegensatz zu Kepler, der eine Vielzahl von Sternen erforschte, um Exoplaneten zu identifizieren, konzentrieren sich TESS und CHEOPS auf sonnennahe Sterne, mit denen Forscher wandernde Terra Incognita (unbekannte Länder - ca. übersetzt) untersuchen können. Und da sich die Zielsterne in der Nähe des Sonnensystems befinden, sollten bodengestützte Teleskope in der Lage sein, die Masse der entdeckten Planeten abzuschätzen, damit die Forscher ihre Dichte berechnen und feststellen können, ob sie fest oder gasförmig sind.
Das James Webb-Teleskop, das dieses Jahr auf den Markt kommt, kann noch weiter gehen, indem es das Licht eines Sterns analysiert, der durch die Atmosphäre des Exoplaneten geht, um dessen Zusammensetzung zu bestimmen. „Komposition ist ein wichtiger Schlüssel zur Gestaltung“, sagt Macintosh. Beispielsweise kann eine Suche nach schweren Elementen in Supererde-Atmosphären darauf hinweisen, dass eine an solchen Elementen reiche Scheibe für die schnelle Bildung von Planetenkernen erforderlich ist. Und im nächsten Jahrzehnt werden sich Raumschiffe wie TESS und CHEOPS der Suche nach Exoplaneten anschließen, zusammen mit einer neuen Generation riesiger bodengestützter Teleskope mit Spiegeln mit einem Durchmesser von 30 Metern oder mehr.
Wenn die alten Theorien bis zuletzt den Modellbauern geholfen haben, auf den Beinen zu bleiben, dann bricht diese Grundlage unter dem Druck neuer Entdeckungen zusammen und die Forscher müssen schwitzen, um auf den Beinen zu bleiben. "Die Natur ist schlauer als unsere Theorien", sagt Rafikov.
EGOR MOROZOV