Rätsel der Unterschiede in der Dichte der Sub-Neptune gelöst

Exoplaneten gibt es in unserer Galaxie reichlich. Die häufigsten liegen zwischen dem Radius der Erde (ca. 6’400 km) und dem des Neptuns (ca. 25’000 km) und werden als «Sub-Neptune» bezeichnet. Man schätzt, dass 30% bis 50% der sonnenähnlichen Sterne mindestens einen dieser Planeten «beherbergen». Die Berechnung der Dichte dieser Planeten stellt die Wissenschaft vor ein Rätsel. Um die Dichte von Sub-Neptunen zu schätzen, werden zunächst ihre Masse und ihr Radius gemessen. Das Problem besteht darin, dass Planeten, deren Masse mit der TTV-Methode (Transit-Timing-Variation) gemessen wird, weniger dicht sind als Planeten, deren Masse mit der Radialgeschwindigkeitsmethode, der anderen möglichen Messmethode, gemessen wurde. 

«Mit der TTV-Methode werden Variationen im Transitzeitpunkt gemessen, das heisst, wie sich der Zeitpunkt ändert, zu dem die Planeten vor ihrem Stern vorbeiziehen. Die Gravitationswechselwirkungen zwischen den Planeten desselben Systems verändern diesen Zeitpunkt leicht», erklärt Jean-Baptiste Delisle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Département d’Astronomie an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Mitautor der Studie.  «Bei der Radialgeschwindigkeitsmethode hingegen werden die Geschwindigkeitsänderungen des Sterns gemessen, die durch die Anwesenheit des Planeten um ihn herum verursacht werden», so Delisle weiter.

Verzerrungen in den Daten beseitigen

Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS, der Universität Genf und der Universität Bern hat eine Studie veröffentlicht, die dieses Phänomen erklärt. Es ist nicht auf Auswahl- oder Beobachtungsfehler zurückzuführen, sondern hat physikalische Gründe. «Die meisten der mit der TTV-Methode gemessenen Systeme befinden sich in Resonanz», erklärt Adrien Leleu, Assistenzprofessor am Département d’Astronomie an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Hauptautor der Studie. Zwei Planeten befinden sich dann in Resonanz, wenn das Verhältnis zwischen ihren Umlaufzeiten eine rationale Zahl ist. Wenn zum Beispiel ein Planet zwei Bahnen um seinen Stern zieht, zieht ein anderer Planet genau eine Bahn. Befinden sich mehrere Planeten in Resonanz, spricht man von einer Kette von Laplace-Resonanzen. «Wir haben uns daher gefragt, ob es einen Zusammenhang zwischen der Dichte und der resonanten Bahnkonfiguration eines Planetensystems gibt», erklärt Leleu weiter.

Um den Zusammenhang zwischen Dichte und Resonanz zu ermitteln, mussten die Forschenden zunächst durch eine sorgfältige Auswahl der Planetensysteme für die statistische Analyse jegliche Verzerrung der Daten ausschliessen. Ein grosser, massearmer Planet, der während eines Transits entdeckt wird, benötigt beispielsweise mehr Zeit, um mit der Radialgeschwindigkeitsmethode erfasst zu werden. Dies erhöht das Risiko, dass die Beobachtungen abgebrochen werden, bevor der Planet in den Radialgeschwindigkeitsdaten sichtbar wird und seine Masse geschätzt werden kann.

«Dieser Auswahlprozess würde zu einer Verzerrung zugunsten höherer Massen und Dichten für Planeten führen, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode charakterisiert wurden. Da wir keine Messung ihrer Massen haben, würden die weniger dichten Planeten von unseren Analysen ausgeschlossen», erklärt Adrien Leleu.

Nach dieser Bereinigung konnten die Forschenden mit Hilfe statistischer Tests feststellen, dass die Dichte der Sub-Neptune in den resonanten Systemen geringer ist als in den nicht resonanten Systemen, unabhängig davon, welche Methode zur Bestimmung ihrer Masse verwendet wurde.

Eine Frage der Resonanz

Die Forschenden schlagen mehrere mögliche Erklärungen für diesen Zusammenhang vor, darunter die Prozesse, die bei der Entstehung von Planetensystemen ablaufen. Die Haupthypothese der Studie lautet, dass alle Planetensysteme in den ersten Momenten ihrer Existenz zu einem Resonanzkettenzustand konvergieren, aber nur 5% davon stabil bleiben. Die anderen 95% werden instabil. Die Resonanzkette bricht dann zusammen, was zu einer Reihe von «Katastrophen» führt, wie etwa Kollisionen zwischen Planeten. Die Planeten verschmelzen miteinander und gelangen so zu höheren Dichten, bevor sie sich in nicht-resonanten Bahnen stabilisieren.

Dieser Prozess erzeugt zwei sehr unterschiedliche Populationen von Sub-Neptunen: dichte und weniger dichte. «Die numerischen Modelle zur Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen, die wir in den letzten zwei Jahrzehnten an der Universität Bern entwickelt haben, reproduzieren genau diesen Trend: Planeten in Resonanz sind weniger dicht. Die aktuelle Studie bestätigt zudem, dass die meisten Planetensysteme Schauplatz riesiger Kollisionen waren, die ähnlich heftig oder sogar heftiger waren als diejenige, aus der unser Mond hervorging», folgert Yann Alibert, Professor in der Abteilung für Weltraumforschung und Planetolgoie (WP) und Co-Direktor des Center for Space and Habitability sowie Co-Autor der Studie.