Das Rätsel der Sub-Neptune: Warum die Dichte so stark variiert

BerlinDie meisten Sterne in unserer Galaxie haben Planeten um sich. Am häufigsten sind sogenannte Sub-Neptune, die größer als die Erde, aber kleiner als Neptun sind. Wissenschaftler haben Schwierigkeiten, ihre Dichte genau zu messen, da zwei verschiedene Methoden unterschiedliche Ergebnisse liefern.

Es gibt zwei Typen von Sub-Neptunen, die sich anhand ihrer Dichte unterscheiden. Um ihre Masse zu bestimmen, nutzen Wissenschaftler verschiedene Methoden.

Die Transitzeit-Variation (TTV) und die Radialgeschwindigkeitsmethode sind Techniken zur Entdeckung und Untersuchung von Exoplaneten.

Planeten, die mit der TTV-Methode vermessen werden, weisen typischerweise eine geringere Dichte auf, während jene, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode untersucht werden, dichter erscheinen. Diese Diskrepanz hat Wissenschaftler zu der Frage veranlasst, ob sie durch die Beobachtungsmethoden oder durch die tatsächlichen physikalischen Eigenschaften der Planeten bedingt ist.

Wissenschaftler des NFS PlanetS, der Universität Genf und der Universität Bern haben vor kurzem dieses Problem untersucht. Ihre Forschung zeigt, dass der Dichteunterschied nicht auf einen Messfehler zurückzuführen ist, sondern auf physikalische Gründe.

Jean-Baptiste Delisle von der Universität Genf erläuterte die TTV-Methode. Diese Methode untersucht die Veränderungen in den Zeitpunkten, an denen Planeten vor ihrem Stern vorbeiziehen. Diese zeitlichen Verschiebungen treten auf, weil Planeten sich durch ihre Gravitationskräfte gegenseitig beeinflussen. Im Gegensatz dazu misst die Radialgeschwindigkeitsmethode die durch den Planeten verursachten Geschwindigkeitsveränderungen des Sterns.

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Adrien Leleu von der Universität Genf erklärte, dass die meisten Systeme, die mit der Transitzeitvarianz-Methode gemessen werden, Resonanzen aufweisen. Dies bedeutet, dass die Umlaufzeit eines Planeten um seinen Stern ein einfaches Vielfaches der Umlaufzeit eines anderen Planeten ist. Ein Planet könnte beispielsweise zwei Umläufe vollenden, während ein anderer nur einen macht. Wenn mehrere Planeten solch ein Muster zeigen, spricht man von einer Resonanzkette.

Das Team untersuchte, ob ein Zusammenhang zwischen Dichte und Resonanz besteht. Um dies herauszufinden, wählten sie sorgfältig planetare Systeme aus, sodass die Auswahl gerecht war. Dabei achteten sie besonders darauf, kleinere Planeten nicht zu übergehen, obwohl diese in Radialgeschwindigkeitsdaten schwerer zu erkennen sind.

Die Forscher fanden heraus, dass resonante Systeme unabhängig von der Messmethode immer niedrigere Dichten bei Sub-Neptunen aufweisen. Dies deutet auf eine direkte Verbindung zwischen Resonanz und Dichte hin.

Wissenschaftler haben mehrere Erklärungen für diesen Zusammenhang. Eine zentrale Idee betrifft die Entstehung von Planetensystemen. Sie gehen davon aus, dass die meisten Systeme anfangs Planeten in einem resonanten Zustand beherbergen. Jedoch werden 95% dieser Systeme instabil und verlieren diesen Zustand. Dies führt zu Ereignissen wie Kollisionen. Die Planeten verschmelzen dann, werden dichter und bewegen sich schließlich in stabile Umlaufbahnen, die nicht resonant sind.

Yann Alibert von der Universität Bern erläuterte, dass Computermodelle zur Planetenentstehung diese Theorie unterstützen. Die Modelle seines Teams zeigen, dass Planeten in bestimmten Umlaufbahnen eine geringere Dichte aufweisen. Die Studie legt auch nahe, dass die meisten Planetensysteme gigantische Kollisionen durchlaufen haben, ähnlich oder sogar intensiver als die, die zur Entstehung des Mondes führte.

Der Dichteunterschied bei Sub-Neptun-Planeten lässt sich durch ihren Resonanzzustand erklären. Viele dieser Planeten verlassen die Resonanz und werden durch Kollisionen dichter. Diese Untersuchung hilft uns, die Veränderungen in planetarischen Systemen im Laufe der Zeit zu verstehen und stützt aktuelle Entstehungstheorien.