Der Exoplanet Kepler-1520b ist seinem Wirtsstern so nahe, dass er in etwas mehr als einem halben Tag eine Umlaufbahn zurücklegt. Bei dieser räumlichen Nähe ist Kepler-1520b in einer Schwerkraftstabilität gefangen, sodass die eine Hälfte des Planeten dem Stern zugewandt ist und die andere Hälfte immer abgewandt ist. Unglücklicherweise für Kepler-1520b verwandelt diese Anordnung die dem Stern zugewandte Seite des Planeten in eine Masse aus geschmolzenem Gestein und Magma-Meeren, die langsam in den Weltraum abkocht.
Auch wenn Kepler-1520b für diese Galaxie nicht allzu lang ist, möchten die Astronomen unbedingt mehr über die sich auflösende Welt erfahren, die etwa 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Der kometenartige Schweif aus Staub und Trümmern der Planeten könnte Einblick in den grundlegenden Entstehungsprozess aller Planeten in der Galaxie geben. Neue Teleskope wie das James Webb-Weltraumteleskop der NASA, dessen Start für 2021 geplant ist, können möglicherweise die Wolke hinter Kepler-1520b und zwei weiteren langsam zerfallenden Welten untersuchen.
"Die Zusammensetzung in einem Exoplaneten-System könnte sich erheblich vom Sonnensystem unterscheiden", sagt Eva Bodman, eine Exoplaneten-Forscherin an der Arizona State University. Während immer mehr Exoplaneten entdeckt werden, staunen die Astronomen darüber, wie einzigartig unser Sonnensystem von anderen Planeten aussieht, die andere Sterne umkreisen. Bodman machte sich auf, um herauszufinden, ob es möglich war, die Zusammensetzung eines kleinen, felsigen, zerfallenden Exoplaneten zu messen, indem er die Trümmer untersuchte, die sich auf seinem Weg bewegten. Aber es gab ein Problem.
Um den Fingerabdruck von felsigen Elementen zu erkennen, müssen die Welten im Infrarotbereich untersucht werden. Bodenteleskope sind nicht empfindlich genug, um sie zu erkennen, und es verbleiben nur das bald ausscheidende Spitzer-Weltraumteleskop der NASA und SOFIA, ein Teleskop, das an Bord einer Boeing 747 über der Atmosphäre getragen wird. Kein Instrument hat die Reichweite, um nach dem felsigen Material Bodman zu suchen sagt. James Webb, der sowohl Exoplaneten im Infrarotbereich als auch antike Galaxien und die entferntesten Objekte des Universums untersuchen soll, sollte jedoch in der Lage sein, durch die Trümmerwolken zu blicken und einige ihrer Inhaltsstoffe zu identifizieren.
Das James Webb-Weltraumteleskop, dessen Start für 2021 geplant ist, könnte leistungsfähig genug sein, um die inneren Kompositionen von Exoplaneten zu messen, die von ihren Sternen zerrissen werden. (NASA) "Webb wäre in der Lage, die relative Häufigkeit verschiedener Mineralien zu messen", sagt Bodman. "Daraus können wir schließen, dass die Geochemie des Inneren dieser Planeten vor dem Zerfall begonnen hat." Die Ergebnisse von Bodman und ihrem Team über die Machbarkeit der Untersuchung zerfallender Exoplaneten wurden Ende letzten Jahres im Astronomical Journal veröffentlicht.
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Im Jahr 2012 fanden Wissenschaftler, die Daten aus dem Kepler-Weltraumteleskop der NASA überprüften, Anzeichen dafür, dass eine Welt durch Hitze und Druck langsam zerfetzt wird, Kepler-1520b. Zwei weitere geschredderte Planeten wurden in den folgenden Jahren unter den Tausenden von Exoplaneten gefunden, die von Kepler und seiner erweiterten Mission K2 entdeckt wurden. Diese felsigen Körper umkreisen ihre Sterne in nur wenigen Stunden und haben in den überhitzten Regionen, die den Sternen zugewandt sind, Temperaturen von bis zu 4.200 Grad Celsius.
Die extremen Temperaturen treiben die Auflösung des Planeten an. "Die Atmosphäre ist nur Felsdampf", sagt Bodman. "Es ist die schiere Hitze des Planeten, die diese felsige Dampfatmosphäre verdrängt."
Die von den Sternen erzeugte Strahlung drückt gegen die verdampfte Atmosphäre des Planeten und erzeugt einen wolkigen Schwanz. Obwohl Kepler nicht in der Lage war, direkt zu messen, wie groß die verschleierten Planeten waren, legen Simulationen nahe, dass sie zwischen der Größe des Mondes und des Mars liegen. Wenn Sie kompakter arbeiten, wird der Zerfallsprozess beendet.
Diese Gegenstände waren jedoch nicht immer so klein und zusammengeschrumpft. Kepler-1520b und die beiden anderen Objekte wie es sollen sich als Gasriesen gebildet haben, wonach sie in Richtung ihrer Wirtssterne eingewandert sind und bis zum felsigen Kern abgestreift wurden.
In den letzten Jahren haben Exoplaneten-Wissenschaftler große Fortschritte bei der Untersuchung der Atmosphäre großer, gasförmiger Planeten gemacht, die andere Sterne umkreisen. Das meiste Material ist reich an Wasserstoff und Helium und kann mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA identifiziert werden. Aber die Gesteinsmaterialien fallen in einen anderen Teil des Spektrums, "in Wellenlängen, die Hubble derzeit nicht erreichen kann", sagt Knicole Colon, ein Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland, der den zerfallenden Planeten K2-22 untersucht hat. "Mit James Webb könnten wir diese Wellenlängen erreichen."
Mithilfe von Webb, um nach Materialien wie Eisen, Kohlenstoff und Quarz zu suchen, könnten Astronomen besser verstehen, was in fernen Welten vor sich geht. "Wenn wir eines dieser Merkmale erkennen könnten, könnten wir mit einiger Sicherheit sagen, woraus diese felsigen Körper bestehen", sagt Colon. "Das könnte definitiv sehr informativ sein, um felsige Exoplaneten im Allgemeinen zu verstehen."
Planeten bilden sich aus der Staub- und Gaswolke, die nach der Geburt eines Sterns übrig geblieben ist. Wissenschaftler glauben, die Welten des Sonnensystems seien durch einen Prozess entstanden, der als Kieselablagerung bekannt ist und bei dem kleine Staub- und Gaspartikel zu immer größeren Objekten zusammenkommen. Schließlich wachsen die Kerne der Gasriesen so massiv, dass sie Gasreste anziehen und ihre dicke Atmosphäre bilden. Die genauen Schritte bleiben jedoch schwierig zu bestimmen.
Die Innenräume der Planeten um andere Sterne variieren in Abhängigkeit von den Elementen, die in dieser bestimmten Umgebung zu finden sind. Das Durchsuchen dieser Unterschiede könnte den Forschern helfen, die verlockenden ersten Schritte der Planetenbildung besser zu verstehen.
Die Darstellung eines Künstlers eines felsigen, erdgroßen Exoplaneten, der einen anderen Stern umkreist. (NASA Ames / JPL-Caltech / T. Pyle) "Es gibt keinen Grund, warum sich das Sonnensystem von Exoplaneten unterscheiden sollte und umgekehrt", sagt Colon. "Wir sind alle Planeten, also haben wir uns alle auf möglicherweise ähnliche Weise gebildet. Das Verständnis dieser Planeten ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zum Gesamtbild."
Aber auch bei ähnlichen Entstehungsprozessen vermutet Bodman, dass Planeten um andere Sterne möglicherweise nicht so vertraut sind. "Die Zusammensetzung in einem Exoplaneten-System könnte sich erheblich vom Sonnensystem unterscheiden", sagt sie.
Obwohl Webb nur in der Lage sein wird, Informationen über die Zusammensetzung von Exoplaneten herauszuspüren, könnten fortschrittliche Instrumente es eines Tages ermöglichen, zerfallende Planeten noch mehr über sich selbst preiszugeben. Während die Planeten abbrachen, konnten Astronomen einen beispiellosen Blick auf ihr Inneres werfen, möglicherweise bis in den Kern. "Theoretisch könnten wir mehr über diese Exoplaneten wissen als über die Erde und definitiv mehr als über die anderen Planeten im Sonnensystem", sagt Bodman.
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Im Gegensatz zu Sternen, die zig Milliarden Jahre lang leuchten können, bleiben geschredderte Welten nur für eine relativ kurze Zeit bestehen. Simulationen legen nahe, dass Planeten wie K2-22 nur etwa 10 Millionen Jahre Zeit haben, bevor sie vollständig zerstört werden. Und weil alle drei Welten Milliarden Jahre alte Sterne umkreisen, waren sie wahrscheinlich noch nicht lange in ihrer jetzigen Position.
Bodman und Colon sind beide der Meinung, dass sich die zum Scheitern verurteilten Planeten wahrscheinlich weit außerhalb ihres Systems gebildet haben und dann im Laufe der Zeit nach innen gewandert sind. Interaktionen mit anderen Planeten hätten sie auf ihre schicksalhafte Flugbahn schleudern können, obwohl alle drei dieser zerfallenden Planeten die einzigen bekannten Satelliten ihrer Wirtssterne sind. Bodman sagt, es ist wahrscheinlich, dass die Welten erst vor kurzem eine enge Umlaufbahn ihrer Sterne begonnen haben, aber wie sie dorthin gekommen sind, bleibt eine offene Frage.
Die kurze Lebensdauer eines zerfallenden Planeten - nur ein Ausrutscher im längeren Leben eines Sterns - ist wahrscheinlich der Grund, warum so wenige dieser Welten gefunden wurden. "Sie sind definitiv selten", sagt Bodman.
Beide Frauen sind sich einig, dass die Kepler-Daten mit großer Wahrscheinlichkeit ein oder zwei weitere zerfallende Exoplaneten enthalten, insbesondere die neuesten Ergebnisse von K2. Und der kürzlich gestartete Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), der bereits Hunderte neuer Planeten gefunden hat, wird noch mehr produzieren.
"Ich denke, es wird einige Zeit dauern, bis wir alles durchgesehen haben, aber ich hoffe, wir finden mehr", sagt Colon.
