Nachdem sich die Sonne gebildet hatte, wirbelten der Staub und das Gas, die von seiner Geburtswolke übrig geblieben waren, langsam zu den acht Planeten, die wir heute haben. Kleine, felsige Dinge hingen dicht an der Sonne. Gigantische Gaswelten schwebten in der Ferne des Systems. Und um unzählige Sterne in der Galaxis wiederholte sich eine Version dieses Prozesses und schmiedete zahlreiche Planeten in einem Spektrum von Größen - außer anscheinend Welten, die nur ein bisschen größer als die Erde sind.
Während das neueste Planet-Jagd-Teleskop der NASA, der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), immer mehr Exoplaneten zählt, besteht eine mysteriöse Lücke in ihrer Größe, die erstmals 2017 identifiziert wurde. Die Lücke zeigt, dass Wissenschaftler einige neue Ideen benötigen, um zu erklären, wie Planeten hergestellt werden, sowohl im breiteren Kosmos als auch in unserem Hinterhof.
Seit dem Start im April 2018 haben Astronomen mit TESS Hunderte von möglichen Planeten um die nächsten Sterne gefunden, darunter 24 bestätigte Welten. Die Galaxie scheint viele kleine Planeten zu beherbergen, insbesondere solche, die zwei- bis viermal so groß sind wie die Erde und andere im Ballpark der Erde. Aus irgendeinem Grund sind Planeten mit Radien zwischen 1, 5 und dem Zweifachen der Erde jedoch selten.
Der Mangel an Planeten in diesem Bereich, der nach dem Hauptautor des Papiers, das darauf hinwies, als „Fulton Gap“bekannt war, tauchte erstmals in den Ergebnissen des Kepler-Weltraumteleskops auf, das fast ein Jahrzehnt lang Exoplaneten jagte, bevor es die Fackel an ihn weiterreichte TESS. Während TESS noch nicht genügend Planeten in seinem Statistikfach hat, um die Fulton-Lücke zu bestätigen oder zu widerlegen, hat sich der Trend fortgesetzt und Astronomen sagen, dass sie nicht damit rechnen, dass die Lücke verschwindet.
In einem Artikel im April in den Astrophysical Journal Letters berichtete ein Team um Diana Dragomir, eine Astronomin am Massachusetts Institute of Technology, die mit TESS-Daten arbeitet, über die Entdeckung eines Sternensystems, das beispielsweise zwei Planeten auf beiden Seiten der Lücke beherbergt. Einer ist ein „Mini-Neptun“, der etwa 2, 6-mal so groß wie der Erdradius ist, und der andere ein kleines Erdtier, das etwa 90 Prozent so groß ist wie unser Planet. Letzteres ist die erste annähernd erdgroße Welt im TESS-Katalog.
Dragomir sagte, die Radiuslücke zeige auf mögliche Regeln, sowohl darüber, wie Planeten gebildet werden, als auch darüber, was mit ihnen zu einem frühen Zeitpunkt passiert. Da die Atmosphäre eines Planeten einen erheblichen Teil seines Radius ausmachen kann, drehen sich viele Ideen darum, was mit dieser Atmosphäre geschehen könnte. Eine Möglichkeit, sagte Dragomir, ist ein umgekehrtes Goldlöckchen-Szenario, in dem mittelgroße felsige Planeten mit einer Atmosphäre nicht bestehen können. "Sie werden entweder groß genug sein, um an Ihrer Atmosphäre festzuhalten, oder wenn Sie mittelgroß sind, dann sind Sie wahrscheinlich nicht groß genug und Sie werden alles ziemlich schnell verlieren", sagte sie. „Es ist wie ein Tauziehen; Es ist wirklich schwer, in der Mitte zu bleiben. “
Obwohl eine Art Atmosphärenverlust eine vernünftige Vermutung ist, ist dies nur eine von drei allgemeinen Ideen, sagte Sara Seager, Astronomin am MIT und stellvertretende wissenschaftliche Direktorin für die TESS-Mission. Eine andere Theorie besagt, dass die Lücke direkt aus der Entstehung des Planeten resultiert, möglicherweise aufgrund des Ortes oder der Zusammensetzung des Gases und des Staubes, die bei der Geburt des Sterns zurückgeblieben sind. Oder, wie eine dritte Theorie vorschlägt, die Abkühlung der Planeten selbst könnte dazu führen, dass ihre Atmosphäre verdunstet. Dieser Effekt wird als "kerngetriebener Massenverlust" bezeichnet. Akash Gupta und Hilke Schlichting von der UCLA haben in ihrer Forschung im vergangenen Jahr gezeigt, dass Planeten bestimmter Größen strahlen wärme von innen in den raum, ihre atmosphäre wird weggeblasen, was sie auf die andere seite der radiuslücke schicken könnte.
Die Lücke fügt neu auftretenden statistischen Mustern Details hinzu. In vielen Exoplaneten-Systemen, wie auch in unserem eigenen Garten, haben Astronomen festgestellt, dass kleinere Welten dazu neigen, nahe an ihren Wirtssternen zu kreisen, und größere Planeten sind weiter entfernt. Die Nähe kleiner Planeten zu ihren Sternen könnte ein Grund dafür sein, dass sie klein sind, sagte Seager. Sie könnten groß anfangen wie ihre weit entfernten Brüder, aber durch die sengende Hitze und die ultraviolette Strahlung ihrer Sterne ihre Atmosphäre und damit viel Masse verlieren.
Wissenschaftler glauben, dass dem Mars so etwas passiert ist. Es begann mit einer dickeren Atmosphäre, aber als es sein schützendes Magnetfeld verlor, war die Sonne frei, diese Atmosphäre langsam wegzublasen. Sogar die Erde verliert immer noch etwas von ihrer Wasserstoffhülle, sagte Seager.
"Einige dieser anderen Systeme haben möglicherweise noch strengere Frühgeschichten", sagte sie. "In Zukunft wollen wir einen Blick auf die Atmosphäre werfen, und vielleicht gibt uns das einen Einblick."
Was das Make-up der verschiedenen Exoplaneten angeht, so können die Astronomen laut Seager noch nicht sagen, wie die meisten von ihnen im Inneren sind. Aber die Leute versuchen es. Besonders umstritten sind Planeten, die zwei- bis viermal so groß wie die Erde sind, Spitznamen für Super-Erden oder manchmal für Mini-Neptune. Einige Astronomen glauben, es handele sich um in dicke Wasserstoffatmosphären gehüllte Steinkugeln, während andere behaupten, sie seien in festes, flüssiges oder dampfförmiges Wasser gehüllt.
Im vergangenen Monat berichteten Astronomen unter der Leitung von Li Zeng, einem ehemaligen Studenten von Seager an der Harvard University, über die Ergebnisse von Computersimulationen, die darauf hindeuten, dass diese gemeinsamen Planeten Wasserwelten sind. Einige können bis zu 50 Prozent Wasser enthalten, das in einer Vielzahl von exotischen Formen vorkommt. Das Wasser könnte den ganzen Weg hinunter flüssig sein oder zu Hochdruckeis wie der neu entdeckten Phase namens „superionisches Eis“Tausende von Kilometern unter der Oberfläche komprimiert werden, sagte Zeng.
"Diese Hochdruckeisarten sind im Wesentlichen wie Silikatfelsen im tiefen Erdmantel, heiß und hart", schrieb Zeng in einer E-Mail. „Diese Ozeane sind unergründlich und bodenlos. Sie sind verschiedene Welten im Vergleich zu unserer eigenen Erde. “
Zeng sagte, diese Super-Erden oder Mini-Neptune könnten häufiger vorkommen als die Planeten unseres Sonnensystems, und es könnte tatsächlich keinen Ort wie zu Hause geben. Aber Dragomir ist umsichtiger. Sie bemerkte, dass Kepler fast ein Jahrzehnt Zeit hatte, um Muster aus dem Füllhorn seines Planeten herauszusuchen, aber TESS fängt gerade erst an. Während Kepler ein kleines Stück Himmel im Sternbild Cygnus studierte, wird TESS den gesamten Himmel überblicken, eine Fläche, die 400-mal größer ist als Keplers Sichtfeld. Und TESS wird sich auf helle, nahegelegene Sterne konzentrieren, die mit bodengestützten Teleskopen zur Nachbeobachtung untersucht werden können.
Dragomir wartet auf TESS 'Langzeitbeobachtungen von Planeten, die ihre Sterne in großer Entfernung umkreisen. Diese Welten sind aufgrund der einfachen Geometrie schwerer zu erkennen. TESS erkennt die Anwesenheit eines Planeten, indem es die Blips in der Helligkeit eines Sterns untersucht, die auf etwas hindeuten, das vor ihm vorbeizieht. Planeten, die in großer Entfernung von ihrem Stern umkreisen, brauchen eine lange Zeit, um sich vor ihm zu kreuzen, wodurch ein längerer Ausrutscher entsteht, der schwerer zu erkennen ist, und sie dimmen das Sternenlicht weniger.
