Die Bedeutung der Theorie in der Exoplanetenforschung
Wissenschaftler der Universität Zürich, die Teil des Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS sind, decken erhebliche Unsicherheiten im theoretischen Verständnis von Riesenplaneten auf. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, die theoretischen Aspekte der Charakterisierung von Exoplaneten weiterzuentwickeln.
Künstlerische Illustration eines Riesengasplaneten und seines Sterns © ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger
Planeten, die andere Sterne umkreisen, sind sehr weit entfernt. Selbst diejenigen, die nahe genug sind, um von Instrumenten entdeckt zu werden, können sich in einer Entfernung von Hunderten von Lichtjahren von der Erde befinden. Das macht es natürlich schwierig, sie zu finden und noch schwieriger, sie zu charakterisieren. Das Signal, auf dem solche Ergebnisse beruhen, ist oft kaum mehr als eine leichte Abschwächung oder Farbverschiebung des ohnehin schon schwachen Lichts eines fernen Sterns. Natürlich können dabei Messfehler auftreten. Da die Instrumente jedoch immer ausgefeilter und präziser werden, werden andere Bereiche allmählich zu einer vergleichsweise wichtigeren Fehlerquelle. Anhand von numerischen Berechnungen zur Entwicklung von Riesenplaneten untersuchten Wissenschaftler unter der Leitung von Simon Müller von der Universität Zürich und dem NFS PlanetS, wie stark theoretische Unsicherheiten ins Gewicht fallen können. Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal veröffentlicht.
Ein Konzept für die Charakterisierung
Simon Müller ist Doktorand am Zentrum für Theoretische Astrophysik und Kosmologie der Universität Zürich. Foto: Tom Hands
“Im Gegensatz zu seiner Masse und seinem Radius kann die Zusammensetzung eines Exoplaneten nicht direkt gemessen werden. Um mehr über die Beschaffenheit eines Planeten zu erfahren – zum Beispiel woraus er besteht oder wie er im Inneren aufgebaut ist – können sich Astrophysiker daher nicht allein auf Messungen verlassen”, erklärt SimonMüller. Stattdessen müssen sie sie mit Hilfe eines theoretischen Konzeptes – oder Modells – Rückschlüsse ziehen. Dieses Konzept basiert auf detaillierten Untersuchungen der Planeten in unserem Sonnensystem sowie einiger grundlegender Physik. Zu dieser Physik gehört zum Beispiel das Verhalten von Elementen unter verschiedenen oder die Verteilung der verschiedenen Elemente innerhalb der Planeten. Sind die Messwerte eines Planeten einmal erfasst (neben Masse und Radius können das die Temperatur, das wahrscheinliche Alter und die Zusammensetzung des Sterns sein, um den der Planet kreist), erlaubt dieses Modell den Forschern, Planeten zu charakterisieren und so Rückschlüsse auf ihre Beschaffenheit zu ziehen. Die Genauigkeit der Schlussfolgerungen der Wissenschaftler hängt also nicht nur von der Qualität der Messungen ab, sondern auch von der Theorie – also ihrem Modell und die darin enthaltenen Annahmen. Doch wie genau sind diese Modelle, insbesondere im Vergleich zu den Beobachtungsinstrumenten?
Modellunsicherheiten können zu einem limitierenden Faktor werden
Ravit Helled ist Professorin für Theoretische Astronomie an der Universität Zürich. Foto: Jos Schmid
Genau das haben Müller und seine Kollegen untersucht. “Was wir herausgefunden haben, ist, dass die geschlussfolgerten Zusammensetzungen von Gasriesenplaneten aufgrund unterschiedlicher Modellannahmen sehr unterschiedlich sein können, selbst wenn sie auf denselben Messungen beruhen”, sagt Müller. So können zum Beispiel geringe Unterschiede in der angenommenen Elementverteilung innerhalb eines Planeten zu stark variierenden Ergebnissen führen. Dies hat Auswirkungen auf die Bemühungen in der Exoplanetenforschung und auf die Fähigkeit, Exoplaneten zu charakterisieren und zu verstehen, wie Studien-Mitautor und Professorin für Astrophysik an der Universität Zürich, Ravit Helled, betont: “Theoretische Aspekte werden im Vergleich zur Weiterentwicklung der Messinstrumente oft vernachlässigt, sind aber entscheidend für die Interpretation der Daten Fortschritte in der Exoplanetenforschung müssen daher sowohl die Theorie als auch die Beobachtungen einbeziehen”, so die Forscherin. “Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir die Theorie wirklich besser verstehen müssen, bevor wir das alles aus den verbesserten zukünftigen Instrumenten herausholen können”, so Müller abschliessend.
Angaben zur Publikation:
Theoretical versus Observational Uncertainties: Composition of Giant Exoplanets, Simon Müller, Maya Ben-Yami and Ravit Helled, ApJ 903 147 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abba19
