#Exoplaneten: Wanderung erklärt Größenlücke

Exoplaneten gibt es in vielen Abstufungen von klein bis groß – doch dabei fällt eine seltsame Lücke auf: Überraschend wenige besitzen etwa die doppelte Größe der Erde. Diese mysteriöse Anomalie in der Größenverteilung ist auf die häufige Einwanderung von sogenannten Mini-Neptunen ins Innere ihrer Planetensysteme zurückzuführen, legen nun Computersimulationen nahe. Bei der Annäherung an den Zentralstern verdampft demnach ihr Wassereis und bildet Atmosphären aus, die zu einem größeren Erscheinungsbild führen. Zusätzlich öffnet sich die Lücke offenbar auch von der anderen Seite: Gesteinsplaneten können durch den Verlust ihrer Gashüllen optisch schrumpfen, sagen die Astronomen.

Tausende von Exoplaneten haben Astronomen mittlerweile schon um ferne Sterne entdeckt und von vielen sind auch die Ausmaße recht genau bekannt. Die ermittelte Größe kann dabei auf festem Planetenmaterial beruhen oder aber zusätzlich auf einer dichten Atmosphäre. Für Verwunderung unter Astronomen sorgte der Blick auf die Verteilung im Größenspektrum der Exoplaneten. Es zeichnet sich eine auffallend geringe Anzahl von Planeten mit Größen von etwa zwei Erdradien ab. Dagegen ist eine relative Häufung bei etwa 1,4 und 2,4 Erdradien zu verzeichnen. Dieses Phänomen wird als Radiuslücke bezeichnet und wurde durch die Neuauswertung von Daten des Weltraumteleskops Kepler bestätigt.

Fragender Blick auf eine Lücke

Grundsätzlich gehen Astronomen davon aus, dass Planeten mit der Zwischengröße eigentlich nicht seltener entstehen sollten. Deshalb wird vermutet, dass die Lücke auf einen Verlust von Exoplaneten dieser Größe zurückzuführen ist. Bisher galt dabei als eine mögliche Erklärung, dass sie relativ häufig einen Teil ihrer ursprünglichen Atmosphäre durch die Strahlung ihres Zentralsterns verlieren und dadurch anschließend kleiner erscheinen. Doch allein dieser Effekt schien das Phänomen nicht ausreichend zu erklären. Nun hat das Astronomenteam um Erst-Autor Remo Burn vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg erneut komplexe Computersimulationen entwickelt, um die Ursache des Phänomens zu beleuchten. Sie modellierten dazu die Prozesse der Planetenbildung von Anfang an sowie die möglichen Evolutionsprozesse in Planetensystemen.

Dabei integrierten sie nun auch einen Aspekt, der mittlerweile als ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung bekannt ist: die Migration von Himmelskörpern. Man geht davon aus, dass einige Planeten ihre Geburts-Umlaufbahnen verlassen und nach innen oder außen wandern. Der Blick der Forscher richtete sich dabei auf die beiden Planetentypen, die den Größenbereich rund um die Lücke bevölkern. Einerseits gibt es dort Gesteinsplaneten, die massereicher als die Erde sein können und deshalb als Super-Erden bezeichnet werden. Die zweite Kategorie bilden die sogenannten Mini-Neptune, die im Durchschnitt etwas größer als die Super-Erden sind. Aus den Simulationen der Astronomen geht nun hervor, dass die Entwicklungsgeschichten der Mini-Neptune wohl erheblich zur Entstehung der Radiuslücke beitragen.

Wandernde Mini-Neptune im Visier

Demnach entstehen Mini-Neptune in eher äußeren, kalten Bereichen der Systeme. Dort müssten sie eigentlich auch die Größen ausbilden, die in der beobachteten Verteilung fehlen, geht aus den Simulationen hervor. Doch wenn diese vermutlich stark wassereishaltigen Planeten näher an den Stern heranrücken, tauen sie auf und bilden schließlich voluminöse und dichte Wasserdampfatmosphären aus. „Von zentraler Bedeutung waren in dieser Studie die Eigenschaften von Wasser bei Drücken und Temperaturen, wie sie im Inneren von Planeten und in deren Atmosphären auftreten“, erklärt Burn. Letztlich führte der simulierte Prozess zu einer entscheidenden Verschiebung der Planetenradien zu den größeren Werten auf der einen Seite der Lücke, die sich in den astronomischen Beobachtungen zeigt. Dabei ist zu bedenken, dass die Messungen nicht unterscheiden, ob die ermittelte Größe allein auf den festen Teil des Planeten oder zusätzlich auf eine dichte Atmosphäre zurückzuführen ist.

Es zeigte sich zudem, dass auch der bisher schon vermutete Effekt ebenfalls zur Lückenbildung beiträgt: Gesteinsplaneten können ihre dichte Atmosphäre mit der Zeit verlieren, wodurch sie dann kleiner erscheinen. Insgesamt tragen also offenbar beide Mechanismen zu dem Mangel an Planeten mit Größen um zwei Erdradien bei. Vereinfacht ausgedrückt rücken einige der ursprünglich doppelt-erdgroßen Planeten im Verlauf ihrer Entwicklung zu den größeren auf und andere passen sich dagegen den kleineren an. Wie das Team berichtet, führten ihre Computersimulationen, die beide Entwicklungsprozesse berücksichtigen, tatsächlich zu einer Lücke bei der Größenverteilung, die derjenigen in den astronomischen Beobachtungsdaten ähnelt.

Wie die Forschenden abschließend hervorheben, hat die Studie allerdings auch wieder neue Fragen aufgeworfen. Unter anderem wollen sie nun genauer klären, welche Prozesse hinter den Wanderbewegungen von Eisplaneten auf die inneren Umlaufbahnen stecken könnten.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, Fachartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-023-02183-7

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