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Wie Wasser fehlende Planeten erklärt

Weltraumforschungsteleskope haben gezeigt, dass Planeten zwischen der Grösse von 1,3 und 2,4 Erdradien vergleichsweise selten zu sein scheinen. Wissenschaftler unter der Leitung des Internationalen Weltraumforschungsinstitut und des Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS haben eine bemerkenswert einfache Erklärung gefunden.

Eine Illustration eines terrestrischen Planeten mit 1,3 Erdradien und einem wasserreichen Sub-Neptun, der 2,4 Mal so gross ist wie die Erde. Dazwischen liegende Grössen sind weitaus seltener und fallen in das so genannte Radius-Tal.

Seit 1995 haben Wissenschaftler über 4000 Planeten ausserhalb der Grenzen unseres Sonnensystems gefunden. Einige davon sind sehr klein, mit nur einem Drittel des Erdradius. Andere sind sehr gross, bis zu 20 Mal breiter als unser Heimatplanet. Diese Extreme sind jedoch selten. Die meisten bekannten Planeten messen das ein- bis vierfache des Radius der Erde.

Innerhalb dieses Bereichs üblicher Planetengrössen wurden zwei besonders häufig gefunden: Planeten mit 1,3 und 2,4 Erdradien. “Die Grössen zwischen diesen beiden Spitzen sind viel seltener und bilden daher das so genannte Radius-Tal”, erklärt Julia Venturini, Hauptautorin und Forscherin am Internationalen Weltraumforschungsinstitut. In einer Studie, die in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht wurde, haben sie und ihre Mitarbeiter jetzt gezeigt, warum dies der Fall sein könnte.

Wasser oder kein Wasser
“Wir stellten fest, dass es mit der Bildung von Planeten zu tun hat”, erklärt Venturini, “nämlich mit den Regionen, in denen sich die Planeten bilden”. Frühere Studien konnten das Radius-Tal erklären, aber nur, indem sie die Entstehung der Planeten auf eine bestimmte Region um ihren Stern beschränkten – innerhalb der sogenannten Eislinie. In dieser Region gibt es kein kondensiertes Wasser. Daher wären solche Planeten trocken. Aber, wie Venturini betont: “Steht dies im Widerspruch zur Planetenbildungstheorie. Planeten bilden sich sehr leicht jenseits der Eislinie, sammeln viel Wasser an und wandern dann typischerweise nach innen und enden näher am Stern.

Eine Illustration der Planetenbildung innerhalb und jenseits der Eislinie. Die Planeten, die sich weiter aussen bilden, werden durch die Anhäufung grösserer eisiger Gesteinsbrocken massiver. Nach der Bildung bewegen sich die Planeten näher an den Stern heran. Credit: Julia Venturini

Die Lösung, die Venturini und ihre Kollegen fanden, schränkt den Ort der Planetenbildung nicht in dieser Weise ein. “Wir haben festgestellt, dass Planeten, die sich nur aus trockenem Felsmaterial bilden, viel kleiner bleiben als solche, die beim Wachsen auch Eis ansammeln”, erklärt sie. “Dies hat mit den unterschiedlichen Kollisionseigenschaften von Gestein und Eis zu tun”. Mit Hilfe von Computermodellen konnten sie das Radius-Tal auf der Grundlage dieser unterschiedlichen Formationsgebiete, die durch die Eislinie getrennt sind, reproduzieren. So stammt die erste häufige Planetengrösse von etwa 1,3 Erdradien von trockenen terrestrischen Planeten und die zweite Gruppe um 2,4 Erdradien besteht zumeist aus wasserreichen Welten.

Eine Illustration der beiden Spitzen häufiger Planetengrössen mit trockenen und wasserreichen Planeten, sowie das Radius-Tal zwischen ihnen. Credit: Julia Venturini

Warten auf leistungsstärkere Teleskope

Julia Venturini ist Postdoktorandin am Internationalen Weltraumforschungsinstitut in Bern. Bild: ISSI

“Diese Ergebnisse könnten uns bei der Charakterisierung von Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems helfen”, hofft Venturini. Aber sie müssen erst noch bestätigt werden. Mit der Entwicklung immer leistungsstärkerer Teleskope, wie dem geplanten Atmosphären-Fernerkundungs-Infrarot-Exoplaneten-Grossteleskop (ARIEL) der ESA, könnten die Zusammensetzungen weit entfernter Planeten detaillierter aufgedeckt werden und würden so erlauben, die Ergebnisse von Venturi und ihren Kollegen zu überprüfen.

 

Angaben zur Referenz:
The nature of the radius valley: Hints from formation and evolution models, Julia Venturini, Octavio M. Guilera, Jonas Haldemann, María P. Ronco,  Christoph Mordasini
https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202039141

Categories: News

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