EIN GEWALTIGER ZUSAMMENSTOSS KANN DIE ATMOSPHÄRE EINES PLANETEN RETTEN

Misst man die Größen kleiner Exoplaneten, zerfallen sie in zwei Gruppen: ein Gipfel bei etwa dem 1,3-Fachen des Erdradius, ein weiterer bei etwa dem 2,4-Fachen, mit einer Senke bei 1,75. Die kleinen gelten als nackte Gesteinsplaneten – Super-Erden. Die großen, die Sub-Neptune, wären Gesteinsplaneten, die noch in ihre ursprüngliche, wasserstoffreiche Atmosphäre gehüllt sind. Manche Planeten müssen also viel Wasserstoff verloren haben. Aber welche, und wie?

Der übliche Verdächtige

Von Gesteinsplaneten mit Erdgröße oder darüber wird erwartet, dass sie am Ende ihrer Entstehung eine oder mehrere Riesenkollisionen erleiden, manche davon, nachdem sich die Gasscheibe um den jungen Stern aufgelöst hat. Eine verbreitete Erklärung für die zwei Gruppen macht diese späten Zusammenstöße verantwortlich: Der Stoß heizt den Mantel des Planeten auf, die glühend heiße Oberfläche treibt das Gas zum Entweichen, und ein Planet mit Atmosphäre wird zur Super-Erde.

Darius Modirrousta-Galian von der Shanghai Jiao Tong University und Jun Korenaga von der Yale University argumentieren, dass dieses Bild die Hälfte der Bilanz auslässt. Ihre Studie wurde von der Fachzeitschrift Nature Astronomy angenommen.

Die andere Seite der Bilanz

Eine Kollision heizt einen Planeten nicht nur auf. Sie fügt auch Masse hinzu, und all diese Masse vertieft den Gravitationstopf, der die Atmosphäre festhält. Gleichzeitig erwärmt nur ein Teil der Einschlagsenergie tatsächlich den Mantel:

• der Metallkern des Einschlagkörpers stürzt durch den Mantel, gibt unterwegs wenig Energie ab und landet tief im Inneren, noch immer überhitzt;
• schmelzendes Gestein nimmt Energie als latente Wärme auf, ohne dass die Temperatur steigt;
• die Wärme, die die Oberfläche erreicht, wird hoch oben in der Atmosphäre gedämpft. Die Temperatur in den Schichten, die das Entweichen steuern, wird vom Licht des Sterns bestimmt, nicht vom heißen Boden darunter.

Bei einem Planeten, dessen Metallkern 30 % seiner Masse ausmacht, fließen etwa 84 % der Einschlagsenergie in den Mantel, im Einklang mit detaillierten Kollisionssimulationen. Das direkt vom Einschlagkörper fortgerissene Gas ist gering; die Stoßwelle entfernt typischerweise etwa 10 bis 20 % der Atmosphäre. Insgesamt, so die Autoren, wächst der Gravitationsgriff des Planeten stärker, als sich sein Mantel erhitzt: Nach dem Zusammenstoß wird die Atmosphäre fester gehalten als zuvor.

Hundert Millionen Planeten

Um dies an einer ganzen Population zu testen, simulierte das Team 100 Millionen Planeten mit realistischen Verteilungen von Massen, Temperaturen, Metallkernen und Atmosphären. In jedem Durchlauf hat jeder Planet, je nach Durchlauf, eine Wahrscheinlichkeit von 52, 63 oder 74 % für eine Riesenkollision, nachdem die Gasscheibe verschwunden ist – Werte aus Simulationen der Planetenentstehung –, mit einem Einschlagkörper von bis zur Hälfte der Endmasse. Das Modell verfolgt dann über 5 Milliarden Jahre, wie der geschmolzene Mantel abkühlt und die Atmosphäre entweicht.

Das Ergebnis reproduziert die zwei beobachteten Gipfel, bei etwa 1,3 und 2,4 Erdradien mit einer Senke bei 1,75, für jedes getestete Einschlagsrezept. Zwei Kontrollläufe zeigen, warum. Ganz ohne späte Einschläge enden zu viele Planeten nackt. Mit einem Einschlag für jeden Planeten behalten zu viele ihren Wasserstoff. Die Zusammenstöße stellen das Gleichgewicht ein, indem sie Planeten über eine Massenschwelle heben, oberhalb derer der Wasserstoff bleibt.

Je größer der Zusammenstoß, desto sicherer die Atmosphäre

Die Wahrscheinlichkeit, die gesamte Atmosphäre zu verlieren, sinkt mit wachsender Anfangsmasse des Planeten und wachsendem Anteil des Einschlagkörpers. Die Autoren passen eine einfache Kurve für den Anteil des Einschlagkörpers an, bei dem nur 1 % der Planeten alles verlieren: χ = 0,58 − 0,0188 (M/M⊕)^1,794, wobei χ die Masse des Einschlagkörpers geteilt durch die Endmasse ist und M die Anfangsmasse in Erdmassen. Für einen Planeten, der mit 5 Erdmassen beginnt, entspricht das einem Einschlagkörper von etwa einem Viertel der Endmasse; oberhalb der Kurve behalten Planeten fast immer ihre ursprüngliche Atmosphäre.

Schwerere Herzen für Sub-Neptune

Wenn Zusammenstöße Planeten helfen, ihren Wasserstoff zu behalten, dann sind Sub-Neptune wahrscheinlich durch mehr Kollisionen gewachsen und besitzen ein massereicheres Gesteinsinneres als Super-Erden. Gemessene Planeten deuten bereits in diese Richtung: Sub-Neptune wiegen mehr als etwa 4 bis 5 Erdmassen, Super-Erden weniger. Die Autoren nennen die Instrumente, die die Idee prüfen können – JWST, Ariel und Twinkle, die in den Atmosphären der größeren Planeten nach Wasserstoff suchen, PLATO und JUST, die sie wiegen, und das Nancy Grace Roman Space Telescope, das kleinere, weiter entfernte Welten erreicht.