Eine neue Art Planeten zu bilden

Artist's impression of the protoplanetary disk with magnetic field lines.
Image: Jean Favre CSCS

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Zürich, die Teil des Schweizerischen Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS sind, schlagen in Zusammenarbeit mit der Universität Cambridge eine neue Erklärung für die Häufigkeit von Exoplaneten mittlerer Masse vor – ein langjähriges Rätsel der Astronomie.

In den letzten 25 Jahren haben 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 Wissenschaftler die Entstehung von Planeten untersuchen, bringen sehr unterschiedliche Planeten hervor. Was die Modelle nur schwer erklären können, ist die beobachtete Massenverteilung der um andere Sterne entdeckten Exoplaneten. Die meisten sind in die Kategorie der mittleren Masse gefallen – 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. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Zwei gegensätzliche Kräfte…

„Wenn sich Planeten aus der sogenannten protoplanetaren Scheibe aus Gas und Staub bilden, könnten gravitative Instabilitäten der treibende Mechanismus sein“, erklärt Lucio Mayer, Studienkoautor und 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.

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“, sagt der Hauptautor der Studie, ehemaliger Doktorand von Mayer und jetzt Forscher an der Universität von Cambridge, Hongping Deng.

…die gleichzeitig nur schwer erfassbar sind

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 Lucio Mayer.

Ein Jahrzehnte altes Rätsel gelöst?

Wider Erwarten kam alles zum richtigen Zeitpunkt zusammen und ermöglichte einen Durchbruch. „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 Hongping 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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Ravid Helled
Center for Theoretical Astrophysics and Cosmology
Universität Zürich
rhelled@physik.uzh.ch
+4144 635 61 89

Originalpublikation:

Angaben zur Publikation: Formation of intermediate-mass planets via magnetically controlled disk fragmentation, Hongping Deng, Lucio Mayer and Ravit Helled, https://www.nature.com/articles/s41550-020-01297-6
DOI: 0.1038/s41550-020-01297-6

http://www.uzh.ch/

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