10 Planetenfakten, die über unser Sonnensystem hinausgehen

Man kann es sich kaum vorstellen, aber im Jahr 1990 – dem Jahr, in dem das Hubble-Weltraumteleskop gestartet wurde – hatten wir noch keinen einzigen Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems entdeckt. Wir waren ziemlich sicher, dass sie existierten, wussten aber nicht, ob sie selten, häufig oder überall vorkamen. Wir wussten nicht, ob Gesteinsplaneten oder Gasriesen „normale“ Planeten sind oder ob es andere Arten gibt, die es in unserem eigenen Sonnensystem nicht gibt. Und im Guten wie im Schlechten gingen wir davon aus, dass unser Sonnensystem relativ typisch sei und dass seine Struktur aus inneren, felsigen Planeten, einem Asteroidengürtel, Gasriesen und einem Kuipergürtel und einer Oort-Wolke darüber die gleiche sein würde Vorlage für die meisten, wenn nicht alle anderen Planetensysteme.

Was für eine wilde Fahrt die letzten etwa 30 Jahre waren und wie sehr sie unsere Annahmen auf den Kopf gestellt haben. Mittlerweile haben wir über 5.000 Exoplaneten entdeckt und viele andere protoplanetare Scheiben (wo sich Planeten bilden) wurden direkt abgebildet. Jetzt wird uns klar, dass vieles von dem, was wir ursprünglich dachten, viel zu anmaßend von uns war und dass die Natur voller Überraschungen steckt. Hier sind 10 Planetenfakten, die 1990 praktisch jeden arbeitenden Astronomen überrascht hätten und Sie auch heute noch überraschen könnten!

1.) Nicht jeder Stern kann sie haben . Eine der ersten Überraschungen, die Exoplanetenforscher erwarteten, kam, als die Kepler-Mission erstmals damit begann, ein großes Feld von über 100.000 Sternen auf der Suche nach Planetentransits zu untersuchen. Wenn ein Planet vor seinem Mutterstern vorbeizieht, blockiert er einen Bruchteil des Lichts des Sterns. Da sich mehrere Umlaufbahnen und mehrere Transite aufbauen, können wir die Umlaufbahnentfernung und die physikalische Größe des Exoplaneten besser bestimmen. Basierend auf der Anzahl der Sterne, die wir betrachteten, und den geometrischen Chancen, dass ein Transit aus unserer speziellen Sichtlinie beobachtet werden konnte, sah es zunächst so aus, als ob etwa 100 % der Sterne Planeten hätten.

Aber es stellt sich heraus, dass dies nicht der Fall ist. Wenn wir Sterne nach ihrer Metallizität oder dem Prozentsatz an Elementen im Stern klassifizieren, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, ist ein deutlicher Rückgang der Planetenhäufigkeit zu beobachten. Praktisch alle Sterne mit 25 % oder mehr der schweren Elemente der Sonne haben Planeten, nur ein Bruchteil der Sterne mit 10–25 % der schweren Elemente der Sonne haben Planeten und nur zwei oder drei Sterne mit weniger als 10 % Die schweren Elemente der Sonne haben überhaupt Planeten. Sofern Ihr Stern nicht aus Material besteht, das durch frühere Sterngenerationen ausreichend angereichert wurde, ist es unwahrscheinlich, dass Ihr Stern Planeten hat.

2.) Super-Neptune (oder Mini-Saturns) sind selten . Aus unserem eigenen Sonnensystem wussten wir, dass es Gasriesenplaneten in mindestens zwei verschiedenen Größen gab: etwa viermal so groß wie der Erdradius, wie Neptun und Uranus, und etwa zehnmal so groß wie der Erdradius, wie Jupiter und Saturn. Aber was würden wir sonst noch finden? Wären Welten dieser Größe häufig oder selten? Würde es eine große Anzahl von Gasriesenplaneten mit Eigenschaften geben, die sich von denen unseres Sonnensystems unterscheiden, wie Super-Jupiter, „Zwischenplaneten“, deren Größe zwischen Neptun und Saturn liegt, oder Mini-Neptune?

Es stellt sich heraus, dass sowohl Jupiter- als auch Neptun-große Planeten sehr häufig vorkommen, wobei Mini-Neptune sogar noch häufiger vorkommen als Neptun-Welten. Aber zwischen den Größen von Neptun und Saturn gibt es überhaupt nur sehr wenige Planeten, was darauf hindeutet, dass es einen physikalischen Grund gibt, warum Planeten dazu neigen, die Bildung mit Größen zwischen 5 und 9 Erdradien zu vermeiden. Dieser Grund wird noch untersucht, aber es ist fantastisch zu wissen, dass Neptun und Jupiter häufig vorkommen, Zwischenwelten hingegen nicht!

3.) Ultraentfernte Gasriesen sind ziemlich häufig . Hier in unserem eigenen Sonnensystem gibt es eine große „Klippe“ jenseits der 30-fachen Erde-Sonne-Entfernung oder 30 Astronomischen Einheiten (AE). Im Inneren dieser Entfernung gibt es acht große Planeten, aber keiner ist auch nur so groß wie der kleinste Planet, Merkur, jenseits dieser Entfernung.

Aber um viele Sterne herum gibt es Riesenplaneten, die weit entfernt sind: 50 AE, 100 AE oder sogar mehrere hundert AE vom Hauptstern in ihrem System entfernt. Einige dieser Planeten sind so groß, dass die Temperatur ihres Kerns 1 Million K übersteigt, wodurch sie Deuterium verschmelzen und zu Braunen Zwergen werden können, während andere unter diese Massenschwelle fallen und stattdessen nur Infrarotlicht erzeugen, ähnlich wie Jupiter.

Diese Systeme, wie HR 8799 (oben), gehören zu den besten Systemen für die direkte Bildgebung und haben uns bisher viele direkt abgebildete Exoplaneten offenbart.

4.) Viele Planeten sind Waisen ohne Mutterstern . In diesem Universum ist nicht das, was man sieht, das, was man bekommt; Es ist nur repräsentativ für den Bruchteil dessen, was Sie haben und der bis heute überlebt hat. Dies gilt für unser Sonnensystem, wo viele heute glauben, dass es in unserer frühen Geschichte einen fünften Gasriesen gab, der vor langer Zeit ausgestoßen wurde, und es gilt auch anderswo im Universum. Einige Planeten bleiben bei ihren Muttersternen, andere werden herausgeschleudert und streifen als verwaiste (oder abtrünnige) Planeten durch das Universum, und andere entstehen höchstwahrscheinlich in Sternentstehungsregionen um Materieklumpen herum, deren Masse zu gering war, um einen Stern zu bilden.

Glücklicherweise hat eine neuartige Methode begonnen, diese abtrünnigen Planeten aufzudecken: Gravitationsmikrolinsen. Wenn diese Planeten durch die Galaxie reisen, passieren sie unweigerlich unsere Sichtlinie zu einem oder mehreren Sternen, und wenn sie das tun, wird ihre Schwerkraft das Licht von einem der gleich ausgerichteten Sterne verbiegen, verzerren und vorübergehend verstärken Sterne. Dieses charakteristische Mikrolinsensignal wurde mehrmals beobachtet und enthüllte diese ansonsten unsichtbaren verwaisten Planeten. Mit verbesserten Observatorien und einer größeren kontinuierlichen Weitfeld-Bildgebung könnte Mikrolinsen eines Tages möglicherweise mehr Exoplaneten insgesamt aufdecken als alle anderen Methoden zusammen.

5.) Ultraheiße Planeten sind am einfachsten zu erkennen . In unserem Sonnensystem ist Merkur der sonnennächste Planet mit einer Umlaufbahn von nur 88 Tagen und einer maximalen Tagestemperatur von über 800 °F (427 °C). Aber einige der Exoplaneten, die wir gefunden haben, haben Temperaturen von mehreren tausend Grad und umkreisen ihre Muttersterne in nur wenigen Tagen oder sogar innerhalb weniger Stunden.

Es stellt sich heraus, dass es dafür einen guten Grund gibt: die beiden von uns verwendeten Methoden, die Radialgeschwindigkeitsmethode (bei der wir das „Wackeln“ eines Sterns aufgrund der Gravitationseffekte eines umlaufenden Planeten messen) und die Transitmethode (bei der wir die Periodizität messen). (Abschwächung des Muttersterns, wenn der ihn umkreisende Planet sein Licht blockiert) sind beide auf Planeten ausgerichtet, die ihren Mutterstern extrem nahe umkreisen.

Während die ersten entdeckten Exoplaneten heiß und massereich waren, haben wir mittlerweile eine große Anzahl von Planeten aller Massen entdeckt, die ihren Muttersternen sehr nahe sind. Das liegt nicht daran, dass sie sehr häufig vorkommen, sondern daran, dass sich schnell bewegende Planeten zu dramatischeren Veränderungen in der Bewegung ihres Muttersterns führen und es uns ermöglichen, eine größere Anzahl von Transiten in der gleichen Beobachtungszeit zu beobachten. Es lohnt sich nicht, einen zweiten Blick auf die Sterne zu werfen, die wir auf Hinweise auf weitere heiße Planeten untersucht haben. Die meisten von ihnen haben wir wahrscheinlich bereits in den Sichtfeldern gesehen, in die wir geschaut haben.

6.) Lange nachdem das planetenbildende Gas verschwunden ist, bleiben staubige Trümmer zurück . Dies war ein kleines Rätsel, das erst vor Kurzem enthüllt wurde. Wir wissen seit langem, dass die Planetenentstehung sehr schnell erfolgt und nur möglich ist, solange Gas um einen jungen Stern herum verbleibt. Sobald diese protoplanetare Scheibe verdampft, ist die Planetenbildung abgeschlossen. Staub hingegen entsteht immer dann, wenn zwei Körper kollidieren, und kann durch Kometenstürme, Asteroidenkollisionen untereinander oder mit Felskörpern oder verschiedene andere heftige Ereignisse verursacht werden.

Aber während das Gas um einen neu entstandenen Stern herum bereits nach vielleicht 10 bis 20 Millionen Jahren vollständig verschwunden ist, kann der Staub in allen Sternsystemen mehrere hundert Millionen Jahre (und vielleicht sogar eine Milliarde oder mehr) bestehen bleiben. Während eine Reihe von Systemen Staub im Analogon ihrer Kuipergürtel aufwiesen, haben jüngste Beobachtungen einige große Überraschungen gezeigt, darunter:

Diese Hinweise ergeben eine verlockende Möglichkeit: Vielleicht war unser eigenes Sonnensystem während der frühen Bombardierungsperiode auch einst ein staubreiches System.

7.) Asteroidengürtel und Kuipergürtel sind nur die Spitze des Eisbergs . Wir dachten zunächst, dass ein Asteroidengürtel und ein Kuipergürtel sinnvoll wären und möglicherweise sogar universelle Eigenschaften für Sternsysteme wären. Schließlich haben die verschiedenen Arten von Eis, die sich im Weltraum bilden, alle ihre eigenen Schmelz-/Siede-/Sublimationspunkte, und dadurch entsteht eine Reihe sogenannter „Frostlinien“ oder Orte an der Grenze des Eises einer bestimmten Art (Wassereis, Trockeneis, Methaneis, Stickstoffeis usw.) können um einen Stern herum existieren oder auch nicht. Diese Linien sollten der Stelle entsprechen, an der sich zwischen inneren und äußeren Planeten ein Gürtel aus Asteroiden bildet.

Ebenso sollte es eine Ansammlung kleiner Planetesimale geben, die hinter dem letzten Planeten in einem System übrig bleiben: einem Kuipergürtel. Warum sehen wir also, wie wir gerade um Fomalhaut beobachtet haben, in mittleren Entfernungen einen dritten Gürtel? Gibt es andere Systeme, die mehr als einen Kuipergürtel und einen Asteroidengürtel haben, und welche physikalischen Entstehungsmechanismen treiben sie ins Leben? Ist unser Sonnensystem in dieser Hinsicht überhaupt üblich oder sind mehrere (vielleicht sogar mehr als drei) Gürtel die Norm? Wir befinden uns hier wirklich an den wissenschaftlichen Grenzen, und dies ist eine Entdeckung, die völlig unerwartet war.

8.) Mehrsternsysteme können fast genauso leicht Planeten haben wie Singulettsterne . Lange Zeit galt die Idee eines Tatooine-ähnlichen Systems, in dem ein Planet mehrere sonnenähnliche Sterne an seinem Tageshimmel beobachten würde, als physikalische Unmöglichkeit. Der Grundgedanke war, dass das Gravitations-Dreikörperproblem dazu führen würde, dass jeder Planet, der mehrere große Massen in der Nähe umkreist, irgendwann herausgeschleudert würde, was solche Systeme zu dem machen würde, was wir in der Physikgemeinschaft als „dynamisch instabil“ bezeichnen.

Und obwohl dies technisch gesehen stimmt, kann die Zeitspanne für diese Instabilität mehrere zehn Milliarden Jahre betragen: länger als das Alter des Universums. Für jedes Paar umkreisender Sterne gibt es drei Regionen, die quasistabil sind:

Wir haben nun Exoplaneten gefunden, die in alle drei dieser Kategorien fallen, was zu der Erkenntnis führt, dass es abgesehen von einigen gravitativ instabilen Regionen, die durch die relativen Massen und Abstände zwischen den Sternen in einem einzelnen System bestimmt werden, viele Orte gibt, an denen Planeten dies können eine stabile Umlaufbahn während der Lebensdauer eines Sternsystems. Mit der Zeit werden wir möglicherweise noch feststellen, dass in Mehrsternsystemen derselbe Prozentsatz Planeten beheimatet wie in Einzelsternsystemen.

9.) Sie können nur geringfügig massiver als die Erde sein und dennoch felsig und lebensfreundlich sein . Als wir zum ersten Mal einen Exoplaneten mit einer Masse und einem Radius entdeckten, der größer als die der Erde, aber kleiner als die von Neptun war, kamen wir wirklich zu einer voreiligen Schlussfolgerung: Wir nannten sie Supererdenwelten. Während das eine verlockende Art ist, über diese Welten nachzudenken, sollte es ebenso verlockend sein, sie als Mini-Neptune zu betrachten, da unsere einfachen Methoden zur Entdeckung von Exoplaneten noch nicht die Empfindlichkeit erreicht haben, die Atmosphären dieser Welten zu messen und zu charakterisieren. Wenn sie dünn sind und eine felsige Oberfläche haben, würden wir erwarten, dass sie erdähnlich sind; Wenn sie dick sind und große, flüchtige Gashüllen aufweisen, bevor man überhaupt eine feste Oberfläche erreicht, würden wir davon ausgehen, dass sie Neptun-ähnlich sind.

Wie Messungen der Kombination aus Exoplanetenmasse, Exoplanetenradius und Exoplanetentemperatur (basierend auf der Entfernung von seinem primären Mutterstern) zeigen, können Sie nur etwa ~30 % größer und etwa ~2x so massereich wie die Erde sein, bevor Sie in einen übergehen Eine Neptun-ähnliche Welt, da es sehr einfach wird, flüchtige Gase festzuhalten, die nur geringfügig mehr Masse haben als ein Planet wie die Erde. Es gibt Ausnahmen von dieser allgemeinen Regel, aber die Ausnahmen finden sich größtenteils auf sehr heißen Welten, deren flüchtige Stoffe leicht verdampfen und verdampfen. Während wir uns gefragt haben, wo die „Supererden“ unseres Sonnensystems sind, liegt uns die Antwort direkt vor der Nase: Wir sind fast so „super“, wie ein erdähnlicher Planet nur sein kann.

10.) Der heilige Gral der Exoplaneten, die direkte Abbildung erdgroßer Planeten in der sogenannten bewohnbaren Zone, ist endlich in greifbare Nähe gerückt . Das ist eine große Sache, und sie kommt endlich. Wir haben oft davon geträumt, was eine entsprechend fortgeschrittene außerirdische Zivilisation sehen würde, wenn sie die Erde aus der Ferne betrachten würde, und wie sie erkennen würde, dass unser Planet bewohnt ist. Während sich der Planet um seine Achse drehte, würden sie Hinweise auf Wolken, Ozeane und variable Kontinente sehen. Mit dem Wechsel der Jahreszeiten sahen sie, wie die Eiskappen wuchsen und sich zurückzogen, während die Kontinente grün und braun wurden. Und wenn sie unseren atmosphärischen Inhalt messen könnten, würden sie sehen, wie sich der Gasgehalt in einer Weise verändert, die darauf hindeutet, dass wir nicht nur eine bewohnte Welt sind, sondern dass hier eine technologisch fortschrittliche Spezies lebt.

Mit der bevorstehenden Flaggschiff-Mission der NASA in den 2030er oder 2040er Jahren, bekannt als Habitable Worlds Observatory, werden wir dieses Ziel erreichen: nicht für die Erde, sondern für alle erdähnlichen Planeten, die sich zufällig um das ~20 herum befinden oder so nächstgelegene Sternensysteme zu unserem eigenen. Die Kombination aus einem ausreichend großen weltraumgestützten Teleskop, ausreichend fortschrittlichen Instrumenten und einem beispiellos effizienten Koronographen kann endlich die uns am nächsten gelegenen felsigen Welten direkt sichtbar machen und ihre Atmosphären auf Lebenszeichen, einschließlich intelligentes Leben, messen. Der große Traum der Astronomen des 20. Jahrhunderts wird in nur weiteren 15 bis 20 Jahren Wirklichkeit werden, und die Menschheit könnte den ultimativen Lohn ernten: eine positive Antwort auf die Frage „Sind wir allein im Universum?“ erhalten.