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Schockwellen könnten die Verteilung heißer Gasplaneten erklären
Kosmische Lücke: Große Gasplaneten sammeln sich auf Umlaufbahnen von wenigen Tagen, doch leichtere Exemplare fehlen ihren Sternen besonders nahe. Eine neue Modellstudie liefert eine mögliche gemeinsame Erklärung: Durch die Schwerkraft des Sterns ausgelöste Schockwellen könnten Planetenbahnen verkürzen oder Gashüllen fortreißen und so die auffällige Verteilung heißer Jupiter und Neptune prägen.
University Park (U.S.A.). Heiße Jupiter sind Gasriesen, die ihren Stern in wenigen Tagen umrunden, statt wie unser Jupiter weit außen zu kreisen. Auffällig viele dieser Exoplaneten benötigen für einen Umlauf rund drei bis fünf Tage. Wie sie in solche Sternnähe gelangten, ist eine der großen Fragen zur Entwicklung von Planetensystemen.
Auch kleinere Gasplaneten zeigen eine auffällige Häufung bei Umlaufzeiten von drei bis sechs Tagen, den sogenannten „Neptune Ridge“. Auf noch engeren Bahnen mit weniger als drei Tagen Umlaufzeit sind Planeten zwischen zehn und hundert Erdmassen hingegen selten. Diese dünn besetzte Zone wird Neptunwüste genannt.
Forscher der Pennsylvania State University um Dr. J. J. Zanazzi haben nun untersucht, wie sich Gasplaneten auf stark elliptischen Umlaufbahnen beim nahen Vorbeiflug an ihrem Stern verhalten. Dazu kombinierten sie hydrodynamische Computersimulationen der Gashüllen mit Rechnungen, die die Veränderungen der Planeten über viele Sternpassagen verfolgen. Es handelt sich um Modellrechnungen, nicht um den direkten Nachweis solcher Vorgänge an einem Exoplaneten.
Bei jeder engen Annäherung zerren Gezeitenkräfte am Planeten und regen großräumige Schwingungen in seiner Gashülle an. In den dünnen äußeren Schichten erreichen die Strömungen im Modell Überschallgeschwindigkeit und bilden Schockfronten. Dabei wird Bewegungsenergie der Wellen in Wärme umgewandelt, die letztlich aus der Umlaufbewegung des Planeten stammt.
Entstehen die Schocks nur in den äußersten Schichten, kann die Atmosphäre die Wärme durch Strahlung abgeben, ohne nennenswert Gas zu verlieren. Zugleich bauen die Gezeitenwellen Bahnenergie ab und verringern die stark elliptische Form der Umlaufbahn. Im Modell kann dieser Effekt die weitere Annäherung an den Stern bremsen und Gasplaneten auf Umlaufzeiten von wenigen Tagen anhäufen.
Anders verläuft eine sehr nahe Sternpassage, bei der die Schockfronten tiefer in die Gashülle reichen. Dann heizt sich das Gas so stark auf, dass es aus dem Schwerefeld des Planeten entweichen kann. Eine Serie solcher Passagen könnte einem Gasriesen einen Großteil seiner Atmosphäre rauben und einen massereichen, vergleichsweise kleinen Restkörper zurücklassen.
Ob ein Planet seine Gashülle behält oder verliert, hängt in den Berechnungen auch davon ab, wie schnell seine Umlaufbahn zuvor stark gestreckt wird. Bei langsamer Veränderung setzen dämpfende Schockwellen früh genug ein, um den Planeten vor noch engeren Passagen zu bewahren. Damit liefert das Modell einen möglichen gemeinsamen Ursprung der Jupiter-Häufung und des Neptunrückens.
Bei stärkerer Anregung kann ein Planet dagegen näher am Stern vorbeiziehen, bevor die Gezeitenreibung seine Bahn stabilisiert. Auf solchen Bahnen verlieren Gasriesen durch Schockwellen große Mengen Gas, was die geringe Zahl mittelgroßer Planeten innerhalb der Neptunwüste erklären könnte. Besonders dichte Neptunplaneten auf extrem kurzen Umlaufbahnen wären demnach mögliche Überreste früherer Gasriesen.
Doch die Modelle lösen das Rätsel noch nicht vollständig. Die simulierten Restplaneten behalten häufig genug Gas, dass ihre durchschnittliche Dichte unter einem Gramm pro Kubikzentimeter bleibt, während zahlreiche beobachtete Objekte in der Neptunwüste deutlich dichter sind. Selbst die zusätzliche Verdampfung von Gas durch die Strahlung des Sterns reicht in den Berechnungen nicht immer aus, diese Abweichung zu beseitigen.