Was würde passieren, wenn das Sonnensystem einen Super bekommen würde?

In dieser Ära der Entdeckung von Exoplaneten haben Astronomen über 5.000 bestätigte Exoplaneten gefunden, Tausende weitere warten auf ihre Bestätigung und viele Milliarden weitere warten darauf, entdeckt zu werden. Diese Exoplaneten existieren in einem verwirrenden Spektrum an Größen, Zusammensetzungen, Umlaufzeiten und nahezu allen anderen messbaren Merkmalen.

Das Wissen über sie hat auch Aufschluss über unser Sonnensystem gegeben. Früher haben wir es uns als eine archetypische Anordnung von Planeten vorgestellt, da es alles war, was wir weitermachen mussten. Aber jetzt wissen wir, dass wir möglicherweise der Ausreißer sind, weil wir keine Supererde haben.

Supererden sind eine Klasse von Planeten, die häufig um andere Sterne herum vorkommen. Sie werden allein durch die Masse definiert, zwischen 2 und 10 Erdmassen. Obwohl Planetenjäger über 1500 davon gefunden haben, gibt es in unserem Sonnensystem keinen solchen. Da in unserem Sonnensystem einer dieser repräsentativen Typen fehlt, ist es für Planetenforscher schwierig, die Supererden in anderen Systemen zu verstehen.

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Auch die Architektur unseres Sonnensystems unterscheidet sich deutlich von dem, was Astronomen bei anderen Sternen sehen. Systeme wie Kepler-11 haben mehrere Planeten in kompakten Systemen auf langfristig stabilen Umlaufbahnen, die viel näher am Stern liegen. Wechselwirkungen zwischen so dicht gepackten Planeten sollten zur Instabilität der Umlaufbahn beitragen, aber die Planeten von Kepler-11 haben das Potenzial, über Milliarden von Jahren stabil zu sein. Der kleinste Planet im System, Kepler-11 f, ist immer noch 2,5-mal massereicher als die Erde.

Andere Systeme wie HD 20782 haben Planeten mit extremen Bahnexzentrizitäten. HD 20782 b hat eine der exzentrischsten Umlaufbahnen, die wir kennen. Seine Exzentrizität beträgt 0,97, was extrem hoch ist, da eine Exzentrizität von 1,00 eine Fluchtbahn darstellt. (Zum Vergleich: Die Exzentrizität der Erde beträgt 0,016, wobei 0 eine kreisförmige Umlaufbahn ist.) Infolgedessen erfährt HD 20782 b heftige Temperaturschwankungen, während er auf seiner 585-tägigen Umlaufbahn vom inneren Sonnensystem zum äußeren System wandert.

Ein erfahrener Planetenforscher wollte wissen, was passieren würde, wenn es in unserem Sonnensystem tatsächlich eine Supererde gäbe. Wie würde es unser Sonnensystem verändern? Würde eine Supererde unser Sonnensystem besser mit einigen der anderen Systeme, die wir in der Milchstraße sehen, in Einklang bringen? Wäre unser Sonnensystem überhaupt erkennbar?

Um das herauszufinden, erschuf er eine simulierte Supererde in einer Simulation unseres Sonnensystems.

Sein Name ist Stephen Kane und er ist Professor für Planetare Astrophysik an der University of California. Der Artikel trägt den Titel „The Dynamical Consequences of a Super-Earth in the Solar System“ und Kane ist der alleinige Autor. Das Papier wurde noch nicht von Experten begutachtet.

In seiner Arbeit weist Kane auf die Größen-/Massenlücke unseres Sonnensystems hin und was diese für Forscher bedeutet. Ohne eine Supererde, die zwischen der Masse der Erde und Neptuns liegt, ist es schwierig, unser System in einen Kontext zu stellen. Es ist schwierig zu modellieren, wie diese Planeten entstehen und welche Zusammensetzung sie haben könnten.

Es könnte mehrere Gründe dafür geben, dass es in unserem System keine Supererde gibt. Möglicherweise spielte die frühe Wanderung von Jupiter und Saturn eine Rolle, indem sie Masse verschlang, die sich auf der Erde oder dem Mars hätte ansammeln können, und sie in Supererden verwandelte.

Ohne unsere eigene Supererde, die es zu untersuchen gilt, bleiben den Forschern viele Fragen offen. „Trotzdem“, schreibt Kane, „ist es nützlich, die dynamischen Folgen zusätzlicher Planetenmasse im Sonnensystem zu untersuchen, um aktuelle Entstehungstheorien einzuschränken und die Auswirkungen auf die Architektur allgemeiner Planetensysteme zu untersuchen.“

Detaillierte Computermodelle und Simulationen sind ein wichtiger Bestandteil der Astronomie und werden mit der Zeit immer detaillierter und leistungsfähiger. Forscher variieren die Eingaben, um zu sehen, wie sich Dinge wie Sonnensysteme und Planeten unter verschiedenen Bedingungen bilden und verhalten. In dieser Arbeit platzierte Kane eine Supererde in unserem Sonnensystem, um zu sehen, was passieren würde.

„In diesem Artikel liefern wir die Ergebnisse einer dynamischen Studie, die einen zusätzlichen terrestrischen Planeten im Massenbereich von 1–10 Erdmassen und im Bereich der großen Halbachse von 2–4 AE innerhalb der aktuellen Architektur des Sonnensystems platziert“, schreibt Kane.

Kane fügte Planeten mit Massen zwischen 1 und 10 Erdmassen in Schritten von 1 Erdmasse hinzu. Er platzierte den Planeten auf verschiedenen Startpositionen in Kreisbahnen. Die Umlaufbahnen waren koplanar mit denen der Erde und die große Halbachse reichte von 2 bis 4 Astronomischen Einheiten (AE) in Schritten von 0,01 AE.

„Dies führte zu mehreren tausend Simulationen, wobei jede Simulation 107 Jahre lang laufen durfte, beginnend mit der gegenwärtigen Epoche, und alle 100 Simulationsjahre eine Orbitalkonfiguration ausgegeben wurde“, erklärt Kane.

Die Simulationen zeigten, dass die inneren Planeten anfälliger für Instabilität durch die Hinzufügung einer Supererde waren als die äußeren Planeten. „Der weite Bereich von 2–4 AE enthält viele Orte der MMR (mittlere Bewegungsresonanz) mit den inneren Planeten, die die chaotische Entwicklung des inneren Sonnensystems weiter verstärken“, heißt es in dem Papier.

„Chaotische Evolution“ ist eine Untertreibung. Die Hinzufügung einer Supererde verändert die Beziehungen zwischen den Planeten und verändert die gesamte Architektur des inneren Sonnensystems. „In diesem Beispiel werden die Umlaufbahnen aller vier inneren Planeten so instabil, dass sie vor Abschluss der 107-Jahres-Simulation aus dem System entfernt werden.“

Der arme Mars schaffte es erst zur Hälfte der Simulation, bevor er ausgeworfen wurde. Merkur schaffte nur ein Drittel der Simulation, bevor die Wechselwirkungen mit Venus und Erde und deren zunehmende Exzentrizität der Umlaufbahn des Merkur einen Drehimpuls verliehen und ihn verdrängten.

In einem weiteren Durchlauf der Simulation platzierte Kane eine Supererde mit 8 Erdmassen in einer Entfernung von 3,7 AE. Dies führte zu einer leichten anfänglichen Zunahme der Exzentrizitäten von Erde und Venus, die dann, kombiniert mit dem Einfluss von Jupiter, die Umlaufbahn von Merkur so sehr störten, dass er schnell wieder herausgeschleudert wurde. Die katastrophale Entfernung von Merkur veränderte dann Erde und Venus, indem sie ihren Umlaufbahnen Drehimpuls verlieh. „Dies führt zu einer erheblichen periodischen Entwicklung ihrer Umlaufbahnen mit sowohl hoch- als auch niederfrequenten Schwankungen ihrer Exzentrizität“, schreibt Kane.

Die Umlaufbahn des Mars bleibt in diesem Szenario relativ unberührt, obwohl seine Exzentrizität „aufgrund der Wechselwirkungen mit den äußeren Planeten hochfrequenten Schwingungen unterliegt“.

Auch das äußere Sonnensystem veränderte sich, wenn auch nicht so stark. Als die Simulation einen Planeten mit 7 Erdmassen auf 3,79 AE platzierte, passierte zunächst nicht viel. Aber irgendwann kommt es zu einer dramatischen Veränderung. Die Umlaufbahn der Supererde ändert sich und ihre große Halbachse reicht bis zu 30 AE. Nach etwa 4 Millionen Jahren wird die Supererde aus dem System ausgestoßen. Sein Auswurf überträgt einen Drehimpuls, und das hat „erhebliche Auswirkungen auf die Exzentrizitäten von Saturn, Uranus und Neptun“, erklärt Kane.

In einer anderen Simulation hatte die injizierte Supererde ebenfalls 7 Erdmassen und die AU änderte sich nur geringfügig, von 3,79 auf 3,8. Die Supererde wurde erneut ausgestoßen und Jupiter und Saturn erlebten eine erhöhte Exzentrizität. Die geringfügige Veränderung löste auch den Verlust von Uranus aus.

Kane führte mehrere tausend Durchläufe der Simulation durch und abhängig von den Parametern wurden einige der inneren Planeten herausgeschleudert, ebenso wie die implantierte Supererde. Auch in anderen Architekturen wurden die Eisriesen ausgestoßen. Aber der Rauswurf ist nur ein Ergebnis, wenn auch das extremste.

Die Simulationen zeigten, dass die Anwesenheit einer Supererde die Umlaufbahnen der anderen Planeten exzentrischer machen kann. Dies kann verheerende Auswirkungen auf das Klima eines Planeten haben, da die Temperatur stark schwankt, je nachdem, wo sich der Planet auf seiner exzentrischen Umlaufbahn befindet. „Diese Wechselwirkungen führen zu großen Schwingungsamplituden der Venus- und Erdorbitalexzentrizitäten, wodurch Milankovitch-Zyklen entstehen, die möglicherweise das langfristige Klima dieser Planeten beeinflussen könnten“, schließt Kane.

Es gibt viele Supererden da draußen, und es ist eine offene Frage, wie stark ihre Anwesenheit die Bewohnbarkeit in anderen Systemen beeinflusst. Wenn diese Studie einen Hinweis liefert, muss diese Frage untersucht werden. „Die Abhängigkeit des Planetenklimas von orbitalen Wechselwirkungen mit Supererden erfordert weitere atmosphärische Daten und Modellierungen, um festzustellen, ob die Anwesenheit solcher Planeten (oder deren Fehlen) vorzugsweise zu durch Exzentrizität bedingten Klimaeffekten führen kann“, erklärt der Autor.

In früheren Jahrzehnten nutzten Astronomen die Architektur unseres Sonnensystems, um Modelle der Entstehung und Architektur des Sonnensystems zu entwickeln. Aber jetzt wissen wir, dass unser Sonnensystem nicht repräsentativ für das ist, was da draußen ist, insbesondere wenn es um Supererden geht. Der Unterschied könnte auf die Art und Weise zurückzuführen sein, wie die Riesenplaneten wanderten. „Insbesondere könnten diese Migrationsereignisse riesiger Planeten die terrestrischen Planetenbildungsprozesse im inneren Sonnensystem beeinflusst und die Entstehung des bisher am häufigsten entdeckten Planetentyps eingeschränkt haben: Supererden“, heißt es in dem Papier.

Die Grand-Tack-Hypothese zeigt, wie sich Jupiter bei 3,5 AE bildete, nach innen auf 1,5 AE wanderte und dann wieder auf 5,2 AE hinauswanderte. Der König der Planeten, der sich auf diese Weise durch das Sonnensystem bewegt, hätte alles um ihn herum beeinflusst. Es hätte eine Kollisionskaskade zwischen Objekten im inneren Sonnensystem erzeugen und Material in die Sonne treiben können, das eine Supererde hätte bilden können. Einige Forscher glauben, dass es in unserem System vor langer Zeit tatsächlich eine Supererde gab, die in der Sonne unterging.

Kane nennt unser Fehlen einer Super-Erde ein „zweischneidiges Schwert“. Einerseits haben wir keine Möglichkeit, eine Supererde so genau zu untersuchen, wie wir terrestrische Planeten, Gasriesen oder Eisriesen studieren können. Aber die Anwesenheit einer Supererde hätte das Sonnensystem völlig verändern und möglicherweise katastrophale Folgen für das Leben haben können.

„Unsere Ergebnisse offenbaren die dynamische Fragilität unserer bestehenden Planetenkonfiguration und ermöglichen eine detailliertere Untersuchung dieser Konfiguration im breiteren Kontext der Architekturen von Planetensystemen“, schreibt Kane. Der Hauptzweck der Arbeit besteht darin, Vergleiche zwischen unserem eigenen „seltsamen“ System und der Fülle von Super-Erde-haltigen Sonnensystemen da draußen zu ermöglichen.

„Die Untersuchung der Umlaufbahnen dieser Systeme, sowohl aus individueller als auch aus statistischer Sicht, wird die wahren Konsequenzen zeigen, die sich aus der gemeinsamen Nutzung des dynamischen Raums mit einem Supererdeplaneten ergeben“, schließt er.