Heißer Jupiter

Was Astronomen von heißen Jupitern lernen können, den sengenden Riesenplaneten der Galaxis | Wissenschaft

1995 machten Astronomen nach jahrelangen Bemühungen eine Ankündigung: Sie hatten den ersten Planeten gefunden, der einen sonnenähnlichen Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreist. Aber dieser Planet, 51 Pegasi b, befand sich an einem ziemlich unerwarteten Ort – er schien nur etwa 4,8 Millionen Meilen von seinem Heimatstern entfernt zu sein und in etwas mehr als vier Erdentagen um den Stern zu sausen. Im Vergleich dazu ist unser innerster Planet, Merkur, bei seiner nächsten Annäherung 28,6 Millionen Meilen von der Sonne entfernt und umkreist sie alle 88 Tage.

Außerdem war 51 Pegasi b groß – die Hälfte der Masse des Jupiter, der wie sein Gasgigant Saturn weit draußen in unserem Sonnensystem kreist. Für ihre Bemühungen um die Entdeckung des Planeten wurden Michel Mayor und Didier Queloz zusammen mit dem Kosmologen James Peebles mit dem Nobelpreis für Physik 2019 ausgezeichnet. Das Nobelkomitee zitierte ihre Beiträge zu unserem Verständnis der Entwicklung des Universums und der Stellung der Erde im Kosmos.

Der Begriff „heißer Jupiter“ wurde umgangssprachlich um Planeten wie 51 Pegasi b zu beschreiben, da in den 1990er Jahren immer mehr entdeckt wurden. Heute, mehr als zwei Jahrzehnte später, kennen wir aus einem Fundus planetensuchender Teleskope im Weltraum und am Boden insgesamt mehr als 4.000 Exoplaneten, und viele weitere werden folgen: der inzwischen nicht mehr existierende Kepler; und aktuelle wie TESS, Gaia, WASP, KELT und mehr. Nur wenige über 400 erfüllen die grobe Definition eines heißen Jupiter – ein Planet mit einer Umlaufbahn von 10 Tagen oder weniger und einer Masse von 25 Prozent oder mehr als die unseres eigenen Jupiter. Während diese nahen, mächtigen Welten etwa 10 Prozent der bisher entdeckten Exoplaneten ausmachen, wird angenommen, dass sie nur 1 Prozent aller Planeten ausmachen.





Dennoch können uns heiße Jupiter viel darüber sagen, wie sich Planetensysteme bilden – und welche Bedingungen extreme Ergebnisse verursachen. In einem Papier aus dem Jahr 2018 im Jahresrückblick Astronomie und Astrophysik , haben die Astronomen Rebekah Dawson von der Pennsylvania State University und John Asher Johnson von der Harvard University einen Blick auf heiße Jupiter geworfen und wie sie sich gebildet haben könnten – und was das für den Rest der Planeten in der Galaxie bedeutet. Bekanntes Magazin sprach mit Dawson über die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Planetenjagd und warum diese rätselhaften heißen Jupiter wichtig bleiben. Dieses Gespräch wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Rebekah Dawson

Astronomin Rebekah Dawson von der Pennsylvania State University.(James Provost (CC BY-ND))



Was ist ein heißer Jupiter?

Ein heißer Jupiter ist ein Planet, der etwa die Masse und Größe von Jupiter hat. Aber anstatt wie unser eigener Jupiter weit von der Sonne entfernt zu sein, ist er seinem Stern sehr nahe. Die genauen Definitionen variieren, aber zum Zwecke der Jahresrückblick Artikel sagen wir, dass es sich um einen Jupiter innerhalb von etwa 0,1 astronomischen Einheiten seines Sterns handelt. Eine astronomische Einheit ist der Abstand zwischen Erde und Sonne, also ist sie etwa zehnmal näher an ihrem Stern – oder weniger – als die Erde an der Sonne.

Was macht die Nähe zu ihrem Stern mit diesen Planeten?



Das ist eine interessante und umstrittene Frage. Viele dieser heißen Jupiter sind viel größer als unser eigener Jupiter, was oft auf die Strahlung der Sterne zurückgeführt wird, die ihre Gasschichten aufheizen und ausdehnen.

Es kann auch einige Auswirkungen auf das haben, was wir in der Atmosphäre sehen. Diese Planeten sind durch die Gezeiten gesperrt, sodass immer die gleiche Seite dem Stern zugewandt ist, und je nachdem, wie viel Wärme umverteilt wird, kann die Tagseite viel heißer sein als die Nachtseite.

Einige heiße Jupiter haben Beweise dafür, dass Wasserstoffgas aus ihrer Atmosphäre entweicht, und einige besonders heiße Jupiter zeigen eine thermische Inversion in ihrer Atmosphäre – wobei die Temperatur mit der Höhe ansteigt. Bei so hohen Temperaturen können Moleküle wie Wasserdampf und Titanoxid und Metalle wie Natrium und Kalium in der Gasphase in der Atmosphäre vorhanden sein.

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Die verlorenen Planeten: Peter van de Kamp und die verschwindenden Exoplaneten um Barnards Stern (The MIT Press)

Zwischen 2009 und 2018 entdeckte das Weltraumteleskop Kepler der NASA Tausende von Planeten. Aber Exoplaneten – Planeten außerhalb des Sonnensystems – tauchten in der Science-Fiction auf, bevor sie in Teleskopen erschienen. Astronomen haben in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts ganze Karrieren damit verbracht, nach Planeten in anderen Sternsystemen zu suchen. Im Die verlorenen Planeten , bietet John Wenz einen Bericht über den bahnbrechenden Astronomen Peter van de Kamp, der als einer der ersten behauptete, Exoplaneten entdeckt zu haben.

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Was könnte erklären, wie ein Planet seinem Stern so nahe kommt?

Es gibt drei Kategorien von Modellen, die sich die Leute ausgedacht haben. Einer ist, dass sich diese Planeten vielleicht zunächst in der Nähe ihrer Sterne bilden. Ursprünglich haben die Leute das irgendwie abgetan. Aber in letzter Zeit haben Astronomen diese Theorie etwas ernster genommen, da mehr Studien und Simulationen die Bedingungen gezeigt haben, unter denen dies passieren könnte.

Eine andere Erklärung ist, dass der Jupiter während der Phase, in der sich das Planetensystem aus einer Gas- und Staubscheibe bildete, näher an seinen Stern herangezogen wurde.

Die letzte Erklärung ist, dass der Jupiter weit weg vom Stern gestartet und dann auf eine sehr elliptische Umlaufbahn gelangt sein könnte – wahrscheinlich durch gravitative Wechselwirkungen mit anderen Körpern im System –, so dass er sehr nahe am Wirtsstern vorbeigezogen ist. Es kam so nahe, dass der Stern auf dem Jupiter starke Gezeiten auslösen konnte, genau wie der Mond auf der Erde Gezeiten erhebt. Das könnte seine Umlaufbahn verkleinern und zirkularisieren, so dass er in der Nähe des Sterns an der von uns beobachteten Position endet.

Theorien des heißen Jupiter

Wissenschaftler schlagen drei Möglichkeiten vor, wie heiße Jupiter entstehen könnten. In einem bilden sich die Gasriesen an Ort und Stelle. In den anderen beiden haben die Riesen ihren Ursprung in weiter außen liegenden Umlaufbahnen, aber die Ereignisse ziehen sie allmählich näher heran.(Wissenswertes Magazin)

Gibt es Dinge, die wir in den Planetensystemen mit heißen Jupitern sehen, die andere Systeme nicht haben?

Es gibt einige Trends. Einer ist, dass die meisten heißen Jupiter keine anderen kleinen Planeten in der Nähe haben, im Gegensatz zu anderen Arten von Planetensystemen, die wir sehen. Wenn wir einen kleinen heißen Planeten oder einen Gasriesen sehen, der etwas weiter von seinem Stern entfernt ist, hat er oft andere Planeten in der Nähe. So heiß Jupiter sind besonders, weil sie so einsam sind.

Der Trend zur Einsamkeit hängt damit zusammen, wie sich heiße Jupiter so nahe an ihren Sternen gebildet haben. In dem Szenario, in dem der Planet auf eine elliptische Umlaufbahn gelangt, die schrumpft und kreist, würde dies wahrscheinlich alle kleinen Planeten im Weg auslöschen. Allerdings gibt es einige Systeme, in denen ein heißer Jupiter einen kleinen Planeten in der Nähe hat. Mit denen ist es keine gute Erklärung.

Planetensysteme mit heißen Jupitern haben oft andere Riesenplaneten im System, die weiter entfernt sind – normalerweise außerhalb der Erde. Wenn heiße Jupiter aus hochexzentrischen Umlaufbahnen stammen, sind diese fernen Planeten vielleicht von Anfang an dafür verantwortlich, ihre Exzentrizität zu erregen. Oder es könnte verantwortliche Planeten gegeben haben, die dabei aus dem System herausgeschleudert wurden, sodass wir sie nicht unbedingt noch im System sehen müssen.

Ein weiterer großer Trend ist, dass sich heiße Jupiter in der Regel um Sterne herum befinden, die metallreicher sind. Astronomen bezeichnen Metalle als jedes Element, das schwerer als Wasserstoff oder Helium ist. Es gibt mehr Eisen und andere Elemente im Stern, und wir denken, dass dies die Gas- und Staubscheibe beeinflussen könnte, aus der sich die Planeten gebildet haben. Es stehen mehr Feststoffe zur Verfügung, und dies könnte die Bildung riesiger Planeten erleichtern, indem Material für ihre Kerne bereitgestellt wird, die dann Gas ansammeln und zu Gasriesen werden.

Mehr Metalle im System könnten die Entstehung mehrerer Riesenplaneten ermöglichen. Dies könnte die Art von Gravitationswechselwirkung verursachen, die den heißen Jupiter auf eine Umlaufbahn mit hoher Exzentrizität bringen würde.

Heiße Jupiter wie 51 Pegasi b waren der erste Planetentyp, der um sonnenähnliche Sterne herum entdeckt wurde. Was führte zu ihrer Entdeckung?

Es geschah, nachdem Astronomen begannen, eine Technik namens Radialgeschwindigkeitsmethode zu verwenden, um nach extrasolaren Planeten zu suchen. Sie erwarteten, Analoga zu unserem eigenen Jupiter zu finden, weil Riesenplaneten wie dieser das größte Signal erzeugen würden. Es war eine sehr glückliche Überraschung, auf einer kürzeren Zeitskala heiße Jupiter zu finden, die ein noch größeres Signal erzeugen. Es war eine überraschende, aber zufällige Entdeckung.

Können Sie die Radialgeschwindigkeitsmethode erklären?

Es erkennt die Bewegung des Wirtssterns aufgrund des Planeten. Wir denken oft an stillsitzende Sterne und um sie herum kreist ein Planet. Aber der Stern macht tatsächlich seine eigene kleine Umlaufbahn um den Massenmittelpunkt zwischen den beiden Objekten, und genau das erkennt die Radialgeschwindigkeitsmethode. Genauer gesagt erkennt es die Doppler-Verschiebung des Lichts des Sterns, wenn es sich in seiner Umlaufbahn bewegt und sich auf uns zu oder von uns weg bewegt.

Eine andere gängige Methode, um Planeten zu finden, ist die Transitmethode, bei der nach der Abschwächung des Lichts eines Sterns aufgrund eines vor ihm vorbeiziehenden Planeten gesucht wird. Auf diese Weise ist es einfacher, heiße Jupiter zu finden als kleinere Planeten, da sie mehr Licht des Sterns blockieren. Und wenn sie sich in der Nähe des Sterns befinden, passieren sie in einem bestimmten Zeitraum häufiger, sodass wir sie mit größerer Wahrscheinlichkeit entdecken.

In den 1990er Jahren waren viele der von Astronomen entdeckten Exoplaneten heiße Jupiter. Seitdem haben wir mehr und unterschiedliche Arten von Planeten gefunden – heiße Jupiter sind im Vergleich zu Welten in Neptungröße und Supererden relativ selten. Warum ist es immer noch wichtig, sie zu finden und zu studieren?

Eine große Motivation ist die Tatsache, dass sie da draußen sind und dass sie nicht von unseren Theorien über die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen vorhergesagt wurden, daher müssen in diesen Theorien einige wichtige Teile fehlen.

Diese fehlenden Zutaten wirken sich wahrscheinlich auf viele Planetensysteme aus, auch wenn das Ergebnis kein heißer Jupiter ist – ein heißer Jupiter, denken wir, ist wahrscheinlich ein extremes Ergebnis. Wenn wir keine Theorie haben, die überhaupt heiße Jupiter erzeugen kann, verpassen wir wahrscheinlich diese wichtigen Prozesse.

Eine hilfreiche Sache bei heißen Jupitern ist, dass sie mit Transiten und Radialgeschwindigkeit viel einfacher zu erkennen und zu charakterisieren sind, und wir können den Transit bei verschiedenen Wellenlängen betrachten, um zu versuchen, die Atmosphäre zu studieren. Sie sind wirklich hilfreiche Fenster zur Charakterisierung von Planeten.

Heiße Jupiter werden immer noch die Planeten sein, die wir am genauesten untersuchen können. Auch wenn die Leute nicht mehr unbedingt von der Entdeckung eines neuen heißen Jupiters begeistert sind, können wir durch die Vergrößerung der Stichprobe mehr Details über ihre Umlaufbahnen, Zusammensetzungen, Größen oder den Rest ihres Planetensystems sammeln, um sie zu testen Theorien ihrer Entstehung. Im Gegenzug lehren sie uns über Prozesse, die alle möglichen Planetensysteme betreffen.

Welche Fragen werden wir zu heißen Jupitern beantworten können, wenn die Observatorien der nächsten Generation wie das James-Webb-Weltraumteleskop und größere bodengestützte Teleskope entstehen?

Mit James Webb besteht die Hoffnung darin, eine Vielzahl von atmosphärischen Eigenschaften heißer Jupiter charakterisieren zu können, und diese könnten uns helfen zu testen, wo sie entstanden sind und wie ihre Entstehungsbedingungen waren. Und mein Verständnis ist, dass James Webb heiße Jupiter superschnell studieren kann, so dass es eine wirklich große Stichprobe von ihnen erhalten und helfen könnte, einige dieser Fragen statistisch zu testen.

Die Gaia-Mission wird sehr hilfreich sein, um den äußeren Teil ihrer Planetensysteme zu charakterisieren und kann uns insbesondere dabei helfen zu messen, ob sich massereiche und entfernte Planeten auf derselben Ebene befinden wie ein durchlaufender heißer Jupiter; verschiedene Theorien sagen unterschiedlich voraus, ob dies der Fall sein sollte. Gaia ist etwas ganz Besonderes, da es uns dreidimensionale Informationen geben kann, während wir normalerweise nur eine zweidimensionale Ansicht des Planetensystems haben.

TESS [das Weltraumteleskop Transiting Exoplanet Survey Satellite] ist gerade im Gange – und seine Entdeckungen finden um wirklich helle Sterne herum statt, sodass es möglich wird, das gesamte System mit einem heißen Jupiter mit der Radialgeschwindigkeitsmethode zu untersuchen, um die Gesamtarchitektur besser zu charakterisieren des Planetensystems. Zu wissen, was weiter draußen ist, wird uns helfen, einige der Ideen über den Ursprung des heißen Jupiter zu testen.

TESS und andere Umfragen haben auch mehr junge Stars in der Stichprobe. Wir können sehen, wie die Häufigkeit und die Eigenschaften heißer Jupiter näher sind, als sie sich bildeten. Auch das wird uns helfen, zwischen verschiedenen Entstehungsszenarien zu unterscheiden.

Sie sind für uns fremde Welten, aber was können uns heiße Jupiter über die Ursprünge unseres eigenen Sonnensystems sagen? Heutzutage konzentrieren sich viele Missionen auf erdgroße Planeten.

Was wir alle immer noch schwer zu sehen haben, ist: Wo passt unser Sonnensystem in ein größeres Bild davon, wie sich Planetensysteme bilden und entwickeln und was die Vielfalt der Planetensysteme hervorbringt, die wir sehen? Wir wollen eine sehr vollständige Blaupause erstellen, die alles erklären kann, von unserem Sonnensystem über ein System mit heißen Jupitern bis hin zu einem System, das eher typisch für das ist, was Kepler gefunden hat, nämlich kompakte, flache Systeme aus einer Reihe von Super-Erden.

Gibt es Piranhas im Ozean?

Wir haben immer noch keine großartige Erklärung dafür, warum unser Sonnensystem keinen heißen Jupiter hat und andere Sonnensysteme. Wir hätten gerne eine umfassende Theorie, die alle Arten von Planetensystemen erklären kann, die wir beobachtet haben. Indem wir in unseren Modellen der Planetenentstehung fehlende Prozesse oder Physik identifizieren, die es uns ermöglichen, heiße Jupiter zu berücksichtigen, entwickeln wir dieses größere Bild.

Hast du noch andere Gedanken?

Eine Sache, die ich hinzufügen möchte, ist, dass wir bei der Zusammenstellung aller Beweise für unsere Überprüfung festgestellt haben, dass keine der Theorien alles erklären kann. Und das motiviert uns zu der Annahme, dass es wahrscheinlich mehrere Möglichkeiten gibt, einen heißen Jupiter herzustellen – daher ist es umso wichtiger, sie zu studieren.

Bekannt Bekanntes Magazin ist ein unabhängiges journalistisches Unterfangen von Annual Reviews.




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