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EXTRASOLARE PLANETEN
Wie entstehen Planeten mittlerer Masse?
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Zürich
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12. Februar 2021

Wieso hat man überraschend viele extrasolare Planeten mittlerer Masse entdeckt? Diese Frage versuchten jetzt Astronominnen und Astronomen zu beantworten, die sich mit Simulationen zur Entstehung von Planeten befassen. Ihr neues Modell berücksichtigt auch die sich bildenden Magnetfelder in der protoplanetaren Scheibe und lässt dadurch mehr Planeten mittlerer Masse entstehen.

Protoplanetare Scheiben

Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe mit Magnetfeldlinien. Bild: Jean Favre CSCS [Großansicht]

In den letzten 25 Jahren haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über 4000 Planeten jenseits der Grenzen unseres Sonnensystems entdeckt. Von relativ kleinen Gesteins- und Wasserwelten bis hin zu glühend heißen Gasriesen weisen die Planeten eine bemerkenswerte Vielfalt auf. Diese Vielfalt ist nicht unerwartet. Auch die ausgefeilten Computermodelle, mit denen die Entstehung von Planeten untersucht wird, bringen sehr unterschiedliche Planeten hervor.

Was die Modelle aber nur schwer erklären können, ist die beobachtete Massenverteilung der um andere Sterne entdeckten Exoplaneten. Die meisten fallen in die Kategorie der mittleren Masse - Planeten mit Massen von einigen Erdmassen bis etwa zur Masse des Neptun. Selbst im Sonnensystem bleibt die Entstehung von Uranus und Neptun ein Rätsel.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Zürich, die Teil des Schweizerischen Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS sind, haben nun eine neue Erklärung vorgeschlagen, die durch umfangreiche Simulationen gestützt wird. "Wenn sich Planeten aus der sogenannten protoplanetaren Scheibe aus Gas und Staub bilden, könnten gravitative Instabilitäten der treibende Mechanismus sein", erklärt Lucio Mayer, Professor für Computational Astrophysics an der Universität Zürich und Mitglied des NFS PlanetS. Bei diesem Prozess verklumpen Staub und Gas in der Scheibe aufgrund der Schwerkraft und bilden dichte Spiralstrukturen. Diese wachsen dann zu Planetenbausteinen und schließlich zu Planeten heran.

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Die Größenordnung auf der dieser Prozess stattfindet, umfasst die ganze protoplanetare Scheibe. "Doch über kleinere Distanzen, über die sich einzelne Planeten erstrecken, dominiert eine andere Kraft: Die der Magnetfelder, die sich parallel zu den Planeten entwickeln", führt Mayer aus. Diese Magnetfelder wirbeln das Gas und den Staub der Scheibe auf und beeinflussen so die Entstehung der Planeten. "Um ein vollständiges Bild des Planetenentstehungsprozesses zu erhalten, ist es daher wichtig, nicht nur die großräumige Spiralstruktur der Scheibe zu simulieren. Auch die kleinräumigen Magnetfelder um die wachsenden Planetenbausteine müssen abgebildet werden", unterstreicht Hongping Deng, ehemaliger Doktorand von Mayer und jetzt Forscher an der Universität von Cambridge.

Die Unterschiede in der Größenordnung und der Natur der Schwerkraft und des Magnetismus machen es jedoch sehr schwierig, die beiden Kräfte in ein und dasselbe Planetenbildungsmodell zu integrieren. Bisher hatten Computersimulationen, die die Auswirkungen einer der Kräfte gut erfassten, die andere in der Regel schlecht wiedergegeben. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team eine neue Modelliertechnik. Das benötigte Expertise auf verschiedenen Gebieten: Zum einen brauchten sie ein tiefes theoretisches Verständnis sowohl der Gravitation als auch des Magnetismus. Dann mussten die Forscherinnen und Forscher einen Weg finden, dieses Verständnis in einen Code zu übersetzen, der diese gegensätzlichen Kräfte effizient im Einklang berechnen konnte.

Aufgrund der immensen Anzahl der notwendigen Berechnungen war schließlich ein leistungsstarker Computer erforderlich - wie der "Piz Daint" am Schweizerischen Nationalen Hochleistungsrechenzentrum in Lugano (CSCS)."Neben den theoretischen Erkenntnissen und den technischen Werkzeugen, die wir entwickelt haben, waren wir also auch auf die Weiterentwicklung der Rechenleistung angewiesen", sagt Mayer.

Doch die Bemühungen hatten Erfolg: "Mit unserem Modell konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass die Magnetfelder es den wachsenden Planeten ab einem bestimmten Punkt erschweren, weiter Masse anzuhäufen. Infolgedessen bilden sich weniger Riesenplaneten. Stattdessen werden Planeten mittlerer Masse viel häufiger - ähnlich wie wir es in der Realität beobachten", erklärt Deng.

"Diese Ergebnisse sind nur ein erster Schritt, aber sie zeigen deutlich, wie wichtig es ist, mehr physikalische Prozesse in Simulationen der Planetenbildung zu berücksichtigen. Unsere Studie hilft, mögliche Arten zur Bildung von Planeten mittlerer Masse zu verstehen, die in unserer Galaxie sehr häufig sind. Sie hilft uns auch, die protoplanetaren Scheiben im Allgemeinen zu verstehen", fasst Ravit Helled, Mitautorin der Studie und Professorin für Theoretische Astrophysik an der Universität Zürich und Mitglied des NFS PlanetS, zusammen.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde.

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siehe auch
Jupiter: Gasriese wuchs in drei Phasen - 28. August 2018
Links im WWW
Deng, H., Mayer, L.  & Helled, R. (2021): Formation of intermediate-mass planets via magnetically controlled disk fragmentation, Nature Astronomy,  https://doi.org/10.1038/s41550-020-01297-6 (arXiv.org-Preprint)
Universität Zürich
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