Das Bild eines Künstlers eines Exoplaneten mit einer prall gefüllten Atmosphäre.
(Bild: © NASA)
Es stellt sich heraus, dass Exoplaneten so süß sein können wie eine Reise zur Staatsmesse: Zwei Welten, die vom Kepler-Weltraumteleskop der NASA entdeckt wurden, haben ungefähr die gleiche Dichte wie eine Packung Zuckerwatte. Die beiden Planeten, die einen jungen Stern umkreisen, der erst etwa 500 Millionen Jahre alt ist, sind neugeborene Welten, die fast so breit sind wie Gasriesen, obwohl sie weniger als das Zehnfache der Masse der Erde wiegen.
Mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA beobachteten die Forscher die beiden "köstlichen" Welten Kepler-51b und Kepler-51d. Sie fanden heraus, dass die aufgeblähten Atmosphären der Welten höchstwahrscheinlich einen Dunst enthielten, der sich hoch über ihrer Oberfläche erstreckte. Die erweiterte Atmosphäre der Welt brachte sie in eine seltene Klasse von Exoplaneten, die Super-Puffs.
"Dies sind die Exoplaneten mit der niedrigsten Dichte bis heute", sagte Jessica Roberts im letzten Monat. Sie präsentierte die vorläufigen Ergebnisse während des 232. halbjährlichen Treffens der American Astronomical Society in Denver. Roberts, ein Doktorand an der Universität von Colorado in Boulder, half dabei, einen erdähnlichen Vergleich für die Planeten zu erstellen. Sie fand ein ungewöhnliches Analogon für die Super-Puffs - eine süße Belohnung. [Die faszinierendsten Entdeckungen von Alien-Planeten 2017]
"Ich möchte, dass Sie sich riesige Planeten aus Zuckerwatte vorstellen", sagte sie.
"Wirklich flauschige Titanen"
Im Jahr 2011 entdeckte Kepler eine Welt mit geringer Dichte, die den jungen Stern Kepler 51 umkreiste. Spätere Studien bestätigten, dass der Planet zwei Geschwister hatte. Alle drei Planeten haben eine pralle Atmosphäre, und die ersten Beobachtungen deuteten auf ihre geringe Dichte hin.
Die Super-Puffs erregten die Aufmerksamkeit von Roberts 'Doktorvater in Boulder, Zachory Berta-Thompson, der vermutete, dass die aufgeblähten Atmosphären leichter zu studieren sein würden als die ruhigeren Atmosphären auf anderen Welten. Zusammen mit mehreren Kollegen verwendeten die Wissenschaftler Hubble, um die Chemie der Atmosphären von 51b und 51d zu untersuchen, während das Paar zweimal zwischen ihrem Stern und der Erde hindurchging. Die Dritte Welt, 51c, hat nur den Rand der Sonne des Systems abgeschnitten und seine Atmosphäre verborgen gehalten und war daher nicht Teil der neuen Studie.
Die Forscher fanden heraus, dass beide Planeten ein Signal erzeugten, das darauf hindeutet, dass winzige Partikel, sogenannte Aerosole, die Atmosphäre dominierten. Diese Aerosole könnten durch massive Wolkenbänke erzeugt werden oder sie könnten das Zeichen eines den Planeten umgebenden Dunstes sein.
"Wir gehen davon aus, dass es sich nicht um eine Art Wolkenkondensation handelt", sagte Roberts. "Wir haben es wahrscheinlich mit einer Art photochemischem Dunst zu tun, von dem wir einfach nicht wissen, woraus er besteht."
Im Sonnensystem ist der größte Saturnmond, Titan, der einzige, der von einer Trübungsschicht aus Kohlenwasserstoffen, höchstwahrscheinlich Methan und Ethan, dominiert wird. Der massive Mond kann Einblick in die Super-Puffs geben, die eine erweiterte Version des Dunstes tragen könnten.
"Wir sehen uns vielleicht einige wirklich flauschige Titanen an", sagte Roberts. [Twilight Haze scheint über Saturns Big Moon Titan in einem wunderschönen Cassini-Foto]
Zuckerwatte-Planeten
Die Berechnung der Dichte eines Planeten erfordert eine Rückkehr zur Physik der High School. Die Dichte eines Objekts ist seine Masse geteilt durch sein Volumen; Das Volumen wird durch seinen Radius bestimmt. Hubbles genaue Messungen halfen den Forschern, die Masse der Exoplaneten besser einzuschränken. Um ihren Radius - und damit ihr Volumen - zu ermitteln, vergleichen Wissenschaftler die Größe des Planeten mit seinem Stern. Durch einen erneuten Blick auf das, was über den Stern bekannt war, konnten Roberts und ihre Kollegen einen genaueren Radius bestimmen.
Kepler-51b hat eine etwa doppelt so große Masse wie die Erde und einen etwa siebenmal größeren Radius und umkreist seinen Stern alle 45 Tage. Kepler-51d ist mit seiner 130-Tage-Umlaufbahn etwas größer und etwa 7,5-mal so massereich wie die Erde mit einem Radius, der fast zehnmal so groß ist wie der unseres Planeten. Das dritte Geschwister, Kepler-51c, benötigt 85 Tage, um den Stern zu umrunden, und hat etwa den vierfachen Radius der Erde.
Durch die Kombination der aktualisierten Masse mit dem überarbeiteten Radius konnten die Forscher berechnen, dass die Dichte der Planeten zwischen 0,03 Gramm und 0,06 Gramm pro Kubikzentimeter lag. Das ist ein Zehntel so dicht wie Saturn, der am wenigsten dichte Planet des Sonnensystems, und einer, der im Wasser schwimmen würde, wenn Sie eine Badewanne finden könnten, die groß genug ist.
Herauszufinden, was dies in der Praxis bedeuten würde, würde etwas mehr Arbeit erfordern, aber Roberts war entschlossen.
Ihr erster Gedanke war an Marshmallows. Sie schmolz eine Charge in der Mikrowelle, stellte jedoch fest, dass die weißen Leckereien immer noch zu dicht waren.
"Das war nur ein schreckliches Durcheinander", sagte sie zu Space.com.
Für ihre Zuckerwatte-Abzüge ging sie zu einem Lebensmittelgeschäft und kaufte Behälter mit Zuckerwatte. Das frisch gesponnene Material war nicht dicht genug, aber sie hoffte, dass die vorverpackten Wannen funktionieren könnten. Sie maß das Volumen des Behälters und wog das Material, um seine Dichte zu berechnen, was den Super-Puffs sehr nahe kam.
"Ich habe so viele dieser Wannen gekauft, die [Kassiererin] meinte, Sie müssen ein Zuckerwatte-Fan sein", sagte Roberts.
"Ich dachte, es ist für die Wissenschaft."
Junge Planeten
Warum sind diese Welten so dicht? Roberts glaubt, dass ihre Jugend eine Schlüsselrolle spielen könnte. Planeten bilden sich, wenn Staub und Felsen kollidieren, um eine Welt aufzubauen. Wenn der felsige Kern massiv genug ist, zieht seine Schwerkraft leichteres Gas an, um eine Atmosphäre zu schaffen.
Laut Modellen bildeten sich die drei Super-Puffs außerhalb der Schneegrenze ihres Systems, der unsichtbaren Grenze um Zentralsterne, an denen das Gas kalt genug ist, um zu Eis zu kondensieren. Die Planeten wanderten dann nach innen und erreichten ihre aktuellen Umlaufbahnen. Als sie sich dem warmen Stern näherten, schmolz ihr Eis und erzeugte eine gasförmige Atmosphäre, die sich zu wölben beginnt.
Während Planeten durch die Kollisionen, die sie gebildet haben, warm anfangen, kühlen sie sich mit der Zeit ab und verursachen eine Materialkontraktion. Gleichzeitig entfernen Sternwinde einen Teil ihrer Atmosphäre. Laut Roberts deuten Modelle darauf hin, dass 51b in den nächsten 5 Milliarden Jahren, wenn es etwas älter ist als die Erde heute, eher wie ein typischer Neptunplanet aussehen wird. Weil es weiter vom Stern entfernt ist, sagte sie, dass "51d wahrscheinlich ein bisschen seltsam sein wird, weil es nicht so viel von seiner Atmosphäre entfernt hat."
"In ein paar Milliarden Jahren werden diese Planeten kleiner sein als jetzt", sagte Roberts.
Wenn Sie auf einem der Super-Puffs stehen könnten (vorausgesetzt, er hat eine felsige Oberfläche), wäre der Druck der Atmosphäre wahrscheinlich sehr hoch, sagte Roberts. Du solltest besser höher in der Atmosphäre herumschweben, wo der Druck geringer wäre, fügte sie hinzu.
Zu Beginn ihres Lebens hatte die Erde wahrscheinlich eine eigene aufgeblähte Atmosphäre, sagte sie, obwohl sie sie wahrscheinlich sehr schnell verlor.
Die Wissenschaftler planen, ihre Forschungsergebnisse später im Sommer zur Veröffentlichung einzureichen.
Jetzt brauchen wir nur noch die süßen Welten, um Zuckerwattefarben wie Blau, Rosa, Lila oder Grün zu tragen!
