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Unsere Sonne könnte eine Supererde verschluckt haben
Die Sonne könnte in ihrer Jugend einen Planeten mit etwa fünf bis zehn Erdmassen aufgenommen haben. Neue Sternentwicklungsmodelle erklären mit diesem Szenario zugleich mehrere bekannte Abweichungen zwischen Standardmodellen und Messungen im Sonneninneren. Ein direkter Nachweis fehlt jedoch. Die vorhergesagte chemische Signatur müsste unabhängig bestätigt werden.
London (England). Die Sonne gehört zu den am genauesten vermessenen Sternen, doch gängige Entwicklungsmodelle bilden einige Eigenschaften ihres Inneren nicht gleichzeitig korrekt ab. Dazu zählen kleine Abweichungen bei der Schallgeschwindigkeit unterhalb der Konvektionszone, die Tiefe dieser äußeren Durchmischungsschicht und die chemische Zusammensetzung an der Oberfläche.
Eine weitere Besonderheit betrifft Lithium, das in der Sonnenoberfläche deutlich schwächer vertreten ist als in einfachen Modellen erwartet und damit ein weiteres Erklärungsproblem schafft. Eine neue Modellstudie verbindet diese Punkte mit einem gemeinsamen Szenario, bei dem die junge Sonne zunächst metallreiches Material eines nach innen gewanderten Planeten aufgenommen haben könnte. Später wäre dann metallärmeres Gas aus der protoplanetaren Scheibe hinzugekommen.
Der Astronom Prof. Mutlu Yıldız von der Ege University hat dafür mit dem Sternentwicklungscode MESA verschiedene frühe Akkretionsgeschichten der Sonne berechnet. Die resultierenden Modelle verglich er mit helioseismischen Messungen, der Lage der Konvektionszonengrenze und beobachteten Oberflächenhäufigkeiten. Zusätzlich prüfte er alternative Änderungen an Opazität, Zustandsgleichung sowie turbulenter und konvektiver Durchmischung.
„Unsere neue Studie legt nahe, dass ein Planet, der mehrfach so massereich wie die Erde war, in die junge Sonne gestürzt sein und tief in ihrem Inneren einen dauerhaften chemischen Abdruck hinterlassen haben könnte. Indem wir die Entwicklung der Sonne modellieren und die Ergebnisse mit präzisen Beobachtungen ihres Inneren vergleichen, stellen wir fest, dass die Aufnahme einer Supererde helfen könnte, seit Langem bestehende Unterschiede zwischen Standard-Sonnenmodellen und Beobachtungen zu erklären, darunter subtile Veränderungen der inneren Struktur der Sonne und ihr geringer Lithiumgehalt“, sagt Prof. Mutlu Yıldız.
Die insgesamt beste Übereinstimmung liefert das Modell DD1020, das die Aufnahme planetaren Materials mit turbulenter Durchmischung kombiniert und eine hypothetische Supererde von rund 5,6 Erdmassen bevorzugt. Mehrere nahe verwandte Modelle kommen auf etwa fünf bis zehn Erdmassen und damit auf denselben Größenbereich.
In den Rechnungen sinkt das aufgenommene, an schweren Elementen reiche Material unter die Konvektionszone und erzeugt dort eine örtlich begrenzte Anreicherung, die die Opazität und damit den inneren Aufbau der Sonne verändert. Vergleichsmodelle ohne Planetenaufnahme verbessern die Übereinstimmung mit den Beobachtungen zwar teilweise, erreichen laut der statistischen Modellbewertung aber nicht dasselbe Gesamtergebnis.
„Wir dachten, dass das Verschlucken eines Planeten die Sonnenstruktur beeinflussen könnte, erwarteten aber nicht, dass die Berechnungen auf einen so spezifischen Massenbereich für eine Supererde hinauslaufen würden. Das war eines der interessantesten Ergebnisse der Studie“, sagt Prof. Mutlu Yıldız.
Auch das Lithiumproblem lässt sich in diesem Rahmen unter bestimmten Voraussetzungen abbilden. Dafür muss das aufgenommene Material lithiumarm sein und der verschluckte Planet in den betreffenden Modellen etwa 4,6 bis 5,8 Erdmassen besitzen. Diese engere Spanne ist daher eine Bedingung für die Lithiumübereinstimmung und nicht die allgemeine Massenbestimmung des hypothetischen Planeten.
Yıldız hat zudem überschlägig geprüft, ob ein kompakter Gesteinsplanet den Weg durch die damalige solare Konvektionshülle überhaupt überstehen könnte. Berechnungen zu Gezeitenstabilität, Druckkompression, klassischem aerodynamischem Widerstand und Ablation ergeben, dass ein solcher Körper du