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Wieso können manche Lavaplaneten ihre Atmosphäre behalten?
Heiß, geschmolzen und trotzdem nicht luftleer: Einige felsige Exoplaneten tragen trotz extremer Sternnähe überraschend dicke Atmosphären. Ein neues Modell erklärt diesen Widerspruch durch eine „kosmische Sandbank“: Ein langlebiger Magmaozean begrenzt den Gasnachschub so, dass Atmosphärenverlust und Ausgasung über Milliarden Jahre in ein Gleichgewicht geraten können.
Stanford (U.S.A.). Bei Gesteinsplaneten entscheidet nicht nur ihre Entfernung vom Stern darüber, ob sie eine Atmosphäre behalten. Gravitation, energiereiche Sternstrahlung, Alter und Zusammensetzung greifen ineinander. Das bekannte Modell der kosmischen Küstenlinie fasst diesen Wettstreit grob zusammen: Jenseits einer bestimmten Grenze sollten Atmosphären eher überleben, näher am Stern eher verloren gehen.
Doch Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) passen nicht sauber in dieses Bild. Ein prominentes Beispiel ist 55 Cancri e, eine Supererde mit fast acht Erdmassen, die ihren Stern rund 20-mal enger umkreist als Merkur die Sonne. Trotz der extremen Bestrahlung besitzt der Lavaplanet eine dichte Atmosphäre. Weitere heiße Gesteinswelten mit Gashüllen verschärfen das Rätsel.
Forscher der Stanford University um Erstautor Barron Nguyen haben die bisherige Ein-Grenzen-Idee deshalb mit einem gekoppelten Modell von Planeteninnerem und Atmosphäre erweitert. Es verfolgt, wie Gase zwischen Magmaozean und Atmosphäre ausgetauscht werden, wie die Oberfläche abkühlt und erstarrt und wie energiereiche Strahlung Gase in den Weltraum entweichen lässt. Anschließend verglich das Team diese Entwicklung mit bekannten Exoplaneten und Körpern des Sonnensystems.
„Diese Lavawelten haben darauf hingedeutet, dass mit der Grenze der kosmischen Küstenlinie etwas nicht stimmt, doch wir haben einen Weg gefunden, wie sie ihre Atmosphären bewahren können, indem wir jenseits davon einen neuen Bereich vorschlagen“, sagt Barron Nguyen.
Das Ergebnis ist keine einzelne Trennlinie mehr, sondern ein System aus zwei Grenzen und einem Zwischenbereich. Ganz nah am Stern liegt die von den Forschern vorgeschlagene kosmische Sandbank. Dort kann ein langlebiger Magmaozean einen großen Teil der flüchtigen Stoffe im geschmolzenen Gestein binden. So gelangt nur ein begrenzter Gasvorrat gleichzeitig in die Atmosphäre, während aus dem Inneren fortlaufend neues Gas nachgeliefert wird.
In diesem heißen Bereich reguliert damit vor allem die Ausgasung, wie viel Atmosphäre zur Verfügung steht. Der Nachschub kann den Verlust durch die Sternstrahlung über sehr lange Zeiträume ausgleichen. Das Modell liefert so eine Erklärung dafür, warum selbst extrem bestrahlte Lavawelten über Milliarden Jahre dicke Gashüllen behalten können.
Etwas weiter vom Stern entfernt kühlen Gesteinsplaneten schneller ab. Ihr Magmaozean erstarrt früher und schließt einen Teil der flüchtigen Stoffe tief im Mantel ein. Die bereits vorhandene Atmosphäre kann währenddessen weiter ins All entweichen, ohne ausreichend ersetzt zu werden. Die Forscher bezeichnen diesen Bereich zwischen Sandbank und Küstenlinie als „luftleeres Tal“.
Noch weiter draußen wird dagegen der atmosphärische Verlust schwächer. Dort kann eine ausgegaste Atmosphäre langfristig bestehen bleiben, was der klassischen kosmischen Küstenlinie entspricht. Das Modell verknüpft damit zwei unterschiedliche Kontrollmechanismen: nahe am Stern die Ausgasung aus dem Planeteninneren und weiter außen die Geschwindigkeit des atmosphärischen Entweichens.
„Wo die Küstenlinie zwischen luftleeren Welten und solchen verläuft, die eine Atmosphäre aufrechterhalten können, war eine große offene Frage der Planetenforschung. Das neue Modell erweitert unser Verständnis dieser Grenze und der Faktoren, die bestimmen, wo sie für bestimmte Sterne und Planeten liegt“, erklärt Laura Schaefer von der Stanford University.