Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Simulaties bieden een mogelijke verklaring voor de mysterieuze kloof in de grootteverdeling van superaardes

Artistieke weergave van een exoplaneet waarvan het waterijs op het oppervlak steeds meer verdampt en een atmosfeer vormt tijdens zijn nadering van de centrale ster van het planetenstelsel. Dit proces vergroot de gemeten planetaire straal in vergelijking met de waarde die de planeet zou hebben op de plaats van herkomst. Credit:Thomas Müller (MPIA)

Normaal gesproken volgen planeten in ontwikkelde planetenstelsels, zoals het zonnestelsel, stabiele banen rond hun centrale ster. Er zijn echter veel aanwijzingen dat sommige planeten tijdens hun vroege evolutie van hun geboorteplaats zouden kunnen afwijken door naar binnen of naar buiten te migreren.



Deze planetaire migratie zou ook een observatie kunnen verklaren die onderzoekers al jaren in verwarring brengt:het relatief lage aantal exoplaneten met afmetingen die ongeveer twee keer zo groot zijn als de aarde, bekend als de radiusvallei of kloof. Omgekeerd zijn er veel exoplaneten die kleiner en groter zijn dan deze omvang.

‘Zes jaar geleden onthulde een heranalyse van gegevens van de Kepler-ruimtetelescoop een tekort aan exoplaneten met afmetingen rond de twee aardstralen’, legt Remo Burn uit, een exoplanetenonderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Hij is de hoofdauteur van het artikel waarin de bevindingen in dit artikel worden beschreven, dat nu is gepubliceerd in Nature Astronomy .

Waar komt de straalvallei vandaan?

"In feite voorspelden we – net als andere onderzoeksgroepen – op basis van onze berekeningen, zelfs vóór deze observatie, dat een dergelijke kloof moest bestaan", legt co-auteur Christoph Mordasini uit, lid van het National Center of Competence in Research (NCCR). PlaneetS. Hij leidt de afdeling Ruimteonderzoek en Planetaire Wetenschappen aan de Universiteit van Bern. Deze voorspelling ontstond tijdens zijn ambtsperiode als wetenschapper bij MPIA, dat al vele jaren samen met de Universiteit van Bern onderzoek doet op dit gebied.

Het meest gesuggereerde mechanisme om het ontstaan ​​van zo’n straalvallei te verklaren is dat planeten een deel van hun oorspronkelijke atmosfeer zouden kunnen verliezen als gevolg van de bestraling van de centrale ster, vooral vluchtige gassen zoals waterstof en helium. "Deze verklaring negeert echter de invloed van planetaire migratie", verduidelijkt Burn.

Het is al ongeveer veertig jaar bekend dat planeten onder bepaalde omstandigheden in de loop van de tijd door planetaire systemen naar binnen en naar buiten kunnen bewegen. Hoe effectief deze migratie is en in welke mate deze de ontwikkeling van planetaire systemen beïnvloedt, heeft invloed op de bijdrage ervan aan de vorming van de straalvallei.

Enigmatische sub-Neptunussen

Er bevinden zich twee verschillende soorten exoplaneten in het groottebereik rond de kloof. Aan de ene kant zijn er rotsachtige planeten, die massiever kunnen zijn dan de aarde en daarom superaardes worden genoemd. Aan de andere kant ontdekken astronomen steeds vaker zogenaamde sub-Neptunussen (ook mini-Neptunussen) in verre planetenstelsels, die gemiddeld iets groter zijn dan de superaardes.

‘We hebben deze klasse exoplaneten echter niet in het zonnestelsel’, benadrukt Burn. "Daarom zijn we zelfs vandaag de dag nog niet helemaal zeker van hun structuur en samenstelling."

Toch zijn astronomen het er in grote lijnen over eens dat deze planeten een aanzienlijk uitgebreidere atmosfeer bezitten dan rotsachtige planeten. Bijgevolg was het onzeker om te begrijpen hoe de kenmerken van deze sub-Neptunussen bijdragen aan de straalafstand. Zou de kloof zelfs kunnen suggereren dat deze twee soorten werelden zich anders vormen?

Het aantal exoplaneten neemt af tussen 1,6 en 2,2, waardoor er een uitgesproken dal in de verspreiding ontstaat. In plaats daarvan zijn er meer planeten aanwezig met afmetingen rond de 1,4 en 2,4 aardstralen. De nieuwste simulaties, die voor het eerst rekening houden met realistische eigenschappen van water, geven aan dat ijzige planeten die naar het binnenste van planetenstelsels migreren dikke atmosferen van waterdamp vormen. Hierdoor lijken ze groter dan ze op de plaats van herkomst zouden zijn. Deze produceren de piek rond 2,4 aardstralen. Tegelijkertijd verliezen kleinere rotsachtige planeten in de loop van de tijd een deel van hun oorspronkelijke gasomhulsel, waardoor hun gemeten straal kleiner wordt en zo bijdraagt ​​aan de accumulatie rond de aardradius van ongeveer 1,4. Credits:R. Burn, C. Mordasini / MPIA

Zwervende ijsplaneten

‘Gebaseerd op simulaties die we al in 2020 hebben gepubliceerd, geven en bevestigen de laatste resultaten aan dat in plaats daarvan de evolutie van sub-Neptunussen na hun geboorte aanzienlijk bijdraagt ​​aan de waargenomen straalvallei’, concludeert Julia Venturini van de Universiteit van Genève. Ze is lid van de PlanetS-samenwerking en leidde het onderzoek van 2020.

In de ijzige gebieden van hun geboorteplaatsen, waar planeten weinig opwarmende straling van de ster ontvangen, zouden de afmetingen van de sub-Neptunussen inderdaad moeten ontbreken in de waargenomen verdeling. Naarmate deze vermoedelijk ijskoude planeten dichter bij de ster komen, ontdooit het ijs en vormt uiteindelijk een dikke waterdampatmosfeer.

Dit proces resulteert in een verschuiving van de planeetstralen naar grotere waarden. De waarnemingen die worden gebruikt om de stralen van planeten te meten kunnen immers niet onderscheiden of de bepaalde grootte alleen te wijten is aan het vaste deel van de planeet of aan een extra dichte atmosfeer.

Tegelijkertijd "krimpen" rotsachtige planeten, zoals al in de vorige afbeelding werd gesuggereerd, doordat ze hun atmosfeer verliezen. Over het geheel genomen veroorzaken beide mechanismen een tekort aan planeten met afmetingen rond de twee aardstralen.

Fysieke computermodellen die planetaire systemen simuleren

"Het theoretische onderzoek van de Bern-Heidelberg-groep heeft ons begrip van de vorming en samenstelling van planetaire systemen in het verleden al aanzienlijk verbeterd", legt MPIA-directeur Thomas Henning uit. "De huidige studie is daarom het resultaat van vele jaren gezamenlijk voorbereidend werk en voortdurende verbeteringen aan de fysieke modellen."

De nieuwste resultaten komen voort uit berekeningen van fysieke modellen die de vorming van planeten en de daaropvolgende evolutie volgen. Ze omvatten processen in de gas- en stofschijven rond jonge sterren die aanleiding geven tot nieuwe planeten. Deze modellen omvatten het ontstaan ​​van atmosferen, het mengen van verschillende gassen en radiale migratie.

“Centraal in dit onderzoek stonden de eigenschappen van water bij de druk en temperatuur binnen planeten en hun atmosfeer”, legt Burn uit. Begrijpen hoe water zich gedraagt ​​over een breed scala aan drukken en temperaturen is cruciaal voor simulaties. Deze kennis is pas de laatste jaren van voldoende kwaliteit. Het is deze component die een realistische berekening van het gedrag van de sub-Neptunus mogelijk maakt, en daarmee de manifestatie van uitgestrekte atmosferen in warmere streken verklaart.

‘Het is opmerkelijk hoe, zoals in dit geval, fysische eigenschappen op moleculair niveau grootschalige astronomische processen beïnvloeden, zoals de vorming van planetaire atmosferen,’ voegt Henning toe.

‘Als we onze resultaten zouden uitbreiden naar koelere streken, waar water vloeibaar is, zou dit kunnen wijzen op het bestaan ​​van waterwerelden met diepe oceanen’, zegt Mordasini. "Dergelijke planeten zouden potentieel leven kunnen herbergen en zouden, dankzij hun omvang, relatief eenvoudige doelwitten zijn voor het zoeken naar biomarkers."

Verder werk in het vooruitzicht

Het huidige werk is echter slechts een belangrijke mijlpaal. Hoewel de gesimuleerde grootteverdeling nauw aansluit bij de waargenomen verdeling en de straalafstand op de juiste plaats zit, vertonen de details nog steeds enkele inconsistenties. Zo komen er in de berekeningen te veel ijsplaneten te dicht bij de centrale ster terecht. Niettemin beschouwen onderzoekers deze omstandigheid niet als een nadeel, maar hopen op deze manier meer te leren over planetaire migratie.

Waarnemingen met telescopen zoals de James Webb Space Telescope (JWST) of de in aanbouw zijn Extremely Large Telescope (ELT) kunnen ook helpen. Ze zouden in staat zijn de samenstelling van planeten te bepalen, afhankelijk van hun grootte, en zo een test vormen voor de hier beschreven simulaties.

De MPIA-wetenschappers die bij dit onderzoek betrokken zijn, zijn Remo Burn en Thomas Henning.

Andere onderzoekers zijn onder meer Christoph Mordasini (Universiteit van Bern, Zwitserland [Unibe]), Lokesh Mishra (Université de Genève, Zwitserland [Unige] en Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) en Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian Universiteit München, Duitsland en Unibe).

De NASA Kepler-ruimtetelescoop zocht tussen 2009 en 2018 naar planeten rond andere sterren en ontdekte tijdens zijn werking duizenden nieuwe exoplaneten. Het maakte gebruik van de transitmethode:wanneer de baan van een planeet zodanig helt dat het vlak binnen de gezichtslijn van de telescoop ligt, blokkeren planeten tijdens hun baan periodiek een deel van het licht van de ster. Deze periodieke fluctuatie in de helderheid van de ster maakt een indirecte detectie van de planeet en bepaling van de straal ervan mogelijk.

Meer informatie: Een straalvallei tussen gemigreerde stoomwerelden en verdampte rotskernen, Natuurastronomie (2024). DOI:10.1038/s41550-023-02183-7

Journaalinformatie: Natuurastronomie

Aangeboden door Max Planck Society




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Welke regels evolutionaire verandering:leven of klimaat?
  2. Onderzoek toont aan dat een enkel gewas beter kan presteren dan mengsels
  3. Hoe fotosynthese licht vangt en het leven op aarde aandrijft
  4. Wat is een wetland? Een ecoloog legt uit
  5. Herprogrammering van buiten naar binnen:antilichaamonderzoek suggereert een betere manier om stamcellen te maken
  6. Soorten instrumenten die worden gebruikt voor het meten van lichaamstemperaturen
  7. Bioreactoren op een chip vernieuwen beloften voor algenbiobrandstoffen
  8. Containergebaseerde methode lost problemen op bij het recirculeren van viskweek
  9. Hoe het genoom is verpakt in chromosomen die getrouw kunnen worden verplaatst tijdens celdeling

Wetenschap