Wissenschaftler haben an Modellen der Planetenentstehung gearbeitet, schon bevor wir wussten, dass Exoplaneten existieren. Diese Modelle, die sich ursprünglich an den Eigenschaften der Planeten in unserem Sonnensystem orientierten, erwiesen sich als bemerkenswert gut darin, auch Exoplaneten zu berücksichtigen, die in unserem Sonnensystem kein Äquivalent haben, wie Supererden und heiße Neptune. Wenn man noch die Fähigkeit von Planeten hinzufügt, sich dank der Gravitationswechselwirkungen zu bewegen, könnten die Eigenschaften von Exoplaneten normalerweise erklärt werden.
Heute gibt ein großes internationales Forscherteam die Entdeckung von etwas bekannt, das unsere Modelle nicht erklären können. Es ist ungefähr so groß wie Neptun, aber viermal so massereich. Seine Dichte, die weit über der von Eisen liegt, ist damit vereinbar, dass entweder der gesamte Planet fast vollständig fest ist oder dass es einen Ozean gibt, der tief genug ist, um ganze Planeten zu ertränken. Obwohl die Leute, die es entdeckt haben, einige Theorien für seine Entstehung aufstellen, ist keine davon besonders wahrscheinlich.
Ein verrückter Ausreißer
Die Erforschung des neuen Planeten begann so, wie es jetzt viele tun: Er wurde vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TOI, für TESS Object of Interest) als Objekt von Interesse identifiziert. TOI-1853 ist ein Stern, der etwas kleiner als unsere Sonne ist und etwa das 0,8-fache seiner Masse hat. Und es gab klare Hinweise auf einen Planeten in der Nähe des Sterns, der jetzt TOI-1853 b heißt. Der Planet umkreist seinen Mutterstern ziemlich nahe und vollendet eine vollständige Umrundung in 1,24 Tagen.
Diese Zeit nutzten die Forscher, um die Entfernung zu bestimmen, in der der Planet umkreist. Basierend auf einer Kombination aus dieser Entfernung, der Größe des Sterns und der vom Planeten blockierten Lichtmenge ist es möglich, die Größe des Planeten abzuschätzen. Es stellte sich heraus, dass er etwa dem 3,5-fachen Erdradius entsprach, was bedeutet, dass er etwas kleiner als Neptun ist.
Für sich genommen ist das nicht ungewöhnlich; 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 die intensive Strahlung des Sterns die Atmosphäre eines Planeten zerstört. Neptune, die den heißen Wüstenstaat erreichen, werden am Ende bis auf ihre felsigen Kerne zerlegt, was sie zu Supererden macht.
Was machte TOI-1853 b also in der Wüste? Um das herauszufinden, nutzten die Forscher bodengestützte Observatorien, um die Bewegung seines Muttersterns zu verfolgen, während sich die Anziehungskraft von TOI-1853 b verschob, während er sich durch seine Umlaufbahn bewegte. Die Beschleunigung der Sternbewegung aufgrund dieser Anziehungskraft kann zur Abschätzung der Masse des Planeten genutzt werden.
Es stellte sich heraus, dass TOI-1853 b eine hat viel der Masse. Es wird geschätzt, dass sie 73-mal so groß ist wie die Masse der Erde oder mehr als viermal so groß wie die Masse von Neptun. Das heißt ganz klar, dass seine Zusammensetzung sich stark von der Neptuns unterscheiden muss.
Innen und außen knusprig?
Die an seiner Entdeckung beteiligten Forscher verbringen viel Text damit, zu beschreiben, wie sehr dies TOI-1853 b zu einem Ausreißer macht. Es gibt Planeten mit ähnlicher Dichte, aber sie sind typischerweise deutlich kleiner – die Supererden, die durch die Entfernung der Atmosphäre auf einem Neptun-ähnlichen Planeten entstanden sind. Es gibt Planeten mit ähnlichen Massen, aber sie sind fast alle doppelt so groß und verfügen wahrscheinlich über ausgedehnte Atmosphären und/oder Ozeane. „Es nimmt einen Bereich des Massenorbitals ein [distance] „Raum heißer Planeten, der zuvor frei von Objekten war und dem trockensten Gebiet der heißen Neptunwüste entspricht“, schließen die Forscher.
Die Kuriositäten enden hier nicht. Es gibt zwei Kompositionen, die angesichts der hier im Spiel befindlichen Dichten Sinn machen. Man sieht, dass der Planet fast vollständig aus felsigem Material wie der Erde besteht und eine extrem dünne Atmosphäre hat, die höchstens ein Prozent seiner Masse ausmacht. Die Alternative besteht darin, dass die Masse gleichmäßig zwischen einem felsigen Kern und einer riesigen Wasserschicht verteilt ist.
Das wäre natürlich kein Wasser, wie wir es kennen. Angesichts der Nähe zu seinem Mutterstern und des enormen Drucks, der von so viel Ozean ausgeht, wäre zumindest ein Teil dieses Wassers in einem überkritischen Zustand, und der Druck in der Nähe des Gesteinskerns würde das Wasser dazu zwingen, Feststoffe mit hohem Druck zu bilden. Im Inneren des Kerns wären die Dinge ebenso seltsam. Wie die Forscher anmerken: „Die Eigenschaften der Materie bei solch hohen Zentraldrücken sind noch ungewiss.“
Es fällt uns nicht nur schwer, seine Gegenwart zu verstehen, sondern wir sind auch ein wenig ratlos, wenn es um seine Vergangenheit geht. Die Ansammlung kleiner Staubpartikel aus der planetenbildenden Scheibe würde zum Erliegen kommen, bevor TOI-1853 b seine derzeitige Masse erreicht, da selbst ein kleinerer Planet die Scheibe zerstören würde. Und es ist unwahrscheinlich, dass es sich an seinem jetzigen Standort gebildet hat, da Feststoffe dort nur schwer kondensieren können.
Zwei Möglichkeiten, keine wahrscheinlich
Die Forscher schlagen zwei Möglichkeiten vor. Zum einen bildete sich weiter draußen eine Gruppe kleinerer Planeten, deren Umlaufbahnen dann destabilisiert wurden, als die Scheibe allmählich verdampfte. Dies hätte zu Kollisionen führen können, die mehrere 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 73 Prozent der Erde an Material zu transportieren.
Die Alternative besteht darin, dass sich mehrere Gasriesen viel weiter draußen gebildet haben und dann die Umlaufbahnen des anderen destabilisiert haben, sodass einer stark exzentrisch blieb und ein Teil der Umlaufbahn extrem nahe am Mutterstern lag. 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 ungefähr zu verdoppeln. Seine extreme Umlaufbahn würde es ihm auch ermöglichen, seine Atmosphäre auf den Stern zu übertragen. Nachdem diese Prozesse abgeschlossen waren, würden Gezeitenwechselwirkungen zwischen dem Planeten und dem Stern seine Umlaufbahn schließlich weitaus regelmäßiger machen.
An keinem dieser möglichen Entstehungsmechanismen ist physikalisch etwas Unmögliches, aber beide erfordern eine Reihe unwahrscheinlicher Ereignisse. Das Universum ist groß und diese Dinge passieren wahrscheinlich irgendwo, aber es scheint unvernünftig zu erwarten, dass wir so schnell über ihre Ergebnisse stolpern.
Eine Sache, die uns helfen könnte, den Ursprung von TOI-1853 b zu verstehen, ist die Anwesenheit anderer Planeten im System, was uns helfen könnte zu verstehen, was in den inneren Teilen dieses Exosolarsystems geschah. TOI-1853 b ist so groß und so nah, dass es ein enormes Signal erzeugt, 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, und wir hätten es übersehen. Kontinuierliche Beobachtungen können der Schlüssel zum Verständnis des Systems sein.
Nature, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06499-2 (Über DOIs).