Ein “Super-Puff” -Planet wie kein anderer

Die zentrale Masse des riesigen Exoplaneten WASP-107b ist viel geringer als die, die für den Bau der riesigen Gashülle um Riesenplaneten wie Jupiter und Saturn als notwendig erachtet wurde, wie Astronomen der Universität von Montreal herausgefunden haben.

Diese faszinierende Entdeckung der Doktorandin Caroline Piaulet vom UdeM-Institut für Exoplanetenforschung (iREx) legt nahe, dass sich Gasriesenplaneten viel leichter bilden als bisher angenommen.

Piaulet ist Teil des revolutionären Forschungsteams des UdeM-Professors für Astrophysik, Björn Benneke, der 2019 den ersten Nachweis von Wasser auf einem Exoplaneten in der bewohnbaren Zone seines Sterns ankündigte.

Veröffentlicht heute in der Astronomisches Tagebuch Zusammen mit Kollegen in Kanada, den USA, Deutschland und Japan hat die neue Analyse der internen Struktur von WASP-107b “große Auswirkungen”, sagte Benneke.

“Diese Arbeit befasst sich mit den Grundlagen der Bildung und des Wachstums von Riesenplaneten”, sagte er. “Es liefert konkrete Beweise dafür, dass eine massive Anreicherung einer Gashülle für Kerne ausgelöst werden kann, die viel weniger massereich sind als bisher angenommen.”

WASP-107b wurde erstmals 2017 um WASP-107 herum entdeckt, einen Stern, der sich im Sternbild Jungfrau etwa 212 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Der Planet ist seinem Stern sehr nahe – mehr als 16 Mal näher als die Erde der Sonne. WASP-107b ist so groß wie Jupiter, aber zehnmal leichter und einer der am wenigsten dichten bekannten Exoplaneten – ein Typ, den Astrophysiker als “Super Puff” – oder “Zuckerwatte” -Planeten bezeichnet haben.

Piaulet und sein Team verwendeten zuerst Beobachtungen von WASP-107b, die am Keck-Observatorium in Hawaii erhalten wurden, um seine Masse genauer abzuschätzen. Sie verwendeten die Radialgeschwindigkeitsmethode, mit der Wissenschaftler die Masse eines Planeten bestimmen können, indem sie die oszillierende Bewegung seines Wirtssterns aufgrund der Anziehungskraft des Planeten beobachten. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Masse von WASP-107b etwa ein Zehntel der von Jupiter oder etwa das 30-fache der Masse der Erde beträgt.

Das Team führte dann eine Analyse durch, um die wahrscheinlichste innere Struktur des Planeten zu bestimmen. Sie kamen zu einem überraschenden Ergebnis: Bei einer so geringen Dichte darf der Planet einen festen Kern haben, der nicht mehr als das Vierfache der Masse der Erde beträgt. Dies bedeutet, dass mehr als 85% seiner Masse in der dicken Gasschicht enthalten sind, die diesen Kern umgibt. Im Vergleich dazu hat Neptun, das eine ähnliche Masse wie WASP-107b hat, nur 5-15% seiner Gesamtmasse in seiner Gasschicht.

“Wir hatten viele Fragen zu WASP-107b”, sagte Piaulet. “Wie könnte sich ein Planet mit so geringer Dichte bilden? Und wie hat er verhindert, dass seine enorme Gasschicht entweicht, insbesondere angesichts der Nähe des Planeten zu seinem Stern?

“Dies hat uns motiviert, eine gründliche Analyse durchzuführen, um die Trainingshistorie zu bestimmen.”

Planeten bilden sich in der Staub- und Gasscheibe, die einen jungen Stern umgibt, der als protoplanetare Scheibe bezeichnet wird. Klassische Modelle zur Bildung von Gasriesenplaneten basieren auf Jupiter und Saturn. In diesen wird ein fester Kern benötigt, der mindestens zehnmal so massereich ist wie die Erde, um eine große Menge Gas anzusammeln, bevor sich die Scheibe auflöst.

Ohne einen massiven Kern galten die Gasriesenplaneten nicht als fähig, die kritische Schwelle zu überschreiten, die zum Aufbau und zur Aufrechterhaltung ihrer großen Gashüllen erforderlich ist.

Wie kann man dann die Existenz von WASP-107b erklären, das einen viel weniger massiven Kern hat? Die Professorin der McGill University und iREx-Mitglied Eve Lee, eine weltbekannte Expertin für Super-Puff-Planeten wie WASP-107b, hat mehrere Hypothesen.

“Für WASP-107b ist das plausibelste Szenario, dass sich der Planet weit vom Stern entfernt gebildet hat, wo das Gas in der Scheibe kalt genug ist, dass eine Gasakkretion sehr schnell auftreten kann.” A- sie erklärte. “Der Planet konnte dann entweder durch Interaktionen mit der Scheibe oder mit anderen Planeten im System an seine aktuelle Position wandern.”

Kecks Beobachtungen des WASP-107-Systems erstrecken sich über einen viel längeren Zeitraum als frühere Studien, sodass das von UdeM geleitete Forschungsteam eine weitere Entdeckung machen konnte: die Existenz eines zweiten Planeten, WASP -107c, ungefähr ein Drittel der Masse von Jupiter, viel mehr als die von WASP-107b.

WASP-107c ist auch viel weiter vom Zentralstern entfernt; Es dauert drei Jahre, um eine Umlaufbahn zu umrunden, verglichen mit nur 5,7 Tagen für WASP-107b. Ebenfalls interessant: Die Exzentrizität dieses zweiten Planeten ist hoch, was bedeutet, dass seine Flugbahn um seinen Stern eher oval als kreisförmig ist.

“WASP-107c hat in gewisser Weise die Erinnerung an das, was in seinem System passiert ist, bewahrt”, sagte Piaulet. “Seine große Exzentrizität deutet auf eine ziemlich chaotische Vergangenheit hin, mit Wechselwirkungen zwischen Planeten, die zu erheblichen Verschiebungen hätten führen können, wie der für WASP-107b vermutete.”

Über seine Trainingsgeschichte hinaus gibt es immer noch viele Rätsel um WASP-107b. Untersuchungen der Planetenatmosphäre mit dem 2018 veröffentlichten Hubble-Weltraumteleskop zeigten eine Überraschung: Es enthält sehr wenig Methan.

“Es ist seltsam, denn für diese Art von Planeten sollte Methan reichlich vorhanden sein”, sagte Piaulet. „Wir analysieren jetzt Hubbles Beobachtungen mit der neuen Masse des Planeten erneut, um zu sehen, wie sich dies auf die Ergebnisse auswirkt, und um zu untersuchen, welche Mechanismen für die Zerstörung von Methan verantwortlich sein könnten.

Der junge Forscher plant, WASP-107b weiter zu untersuchen, hoffentlich mit dem James Webb-Weltraumteleskop, das 2021 gestartet werden soll, um eine viel genauere Vorstellung von der Zusammensetzung der Planetenatmosphäre zu erhalten.

“Exoplaneten wie WASP-107b, die kein Analogon in unserem Sonnensystem haben, ermöglichen es uns, die Mechanismen der Planetenbildung im Allgemeinen und die Vielfalt der daraus resultierenden Exoplaneten besser zu verstehen”, sagt sie. “Es motiviert uns, sie im Detail zu studieren.”

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“Die Dichte von WASP-107b ist noch geringer: Eine Fallstudie zur Physik der Gasumhüllungsakkretion und Orbitalmigration” von Caroline Piaulet et al. Wurde heute in veröffentlicht das Astronomisches Tagebuch. DOI: 10.3847 / 1538-3881 / abcd3c. Neben Piaulet (iREx-Doktorand, Université de Montréal) und den Professoren Björn Benneke (iREx, Université de Montréal) und Eve Lee (iREx, McGill Space Institute, McGill University) gehören Daniel Thorngren (Postdoktorand iREx Fellow) zum Forschungsteam , Université de Montréal) und Merrin Peterson (iREx M.Sc-Student) sowie 19 weitere Co-Autoren aus Kanada, den USA, Deutschland und Japan.