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News: Die Atmosphären von "Super-Erden"

Mittlerweile sind mehr als 300 Exoplaneten bekannt. Bei den meisten von ihnen handelt es sich um Gasriesen ähnlich Jupiter oder Saturn mit Massen zwischen 100 und 300 Erdmassen, manchmal auch noch erheblich mehr. Mittlerweile sind die Nachweisverfahren seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 erheblich verfeinert worden, so dass sich masseärmere Planeten aufspüren lassen. Exoplaneten mit Massen vom Vier- bis Zehnfachen der Erdmasse werden auch als "Super-Erden" bezeichnet, da die Astronomen annehmen, dass diese Himmelskörper wie die Erde überwiegend aus Silikatgesteinen und metallischem Eisen bestehen und eine feste Oberfläche besitzen.

Wie aber könnten die Atmosphären dieser Planeten aussehen, insbesondere dann, wenn sie sich in der habitablen Zone um ihren Stern befinden? Die habitable Zone ist als derjenige Bereich um einen Stern definiert, innerhalb der sich flüssiges Wasser über geologisch lange Zeiträume halten kann.

In unserem Sonnensystem befindet sich nur die Erde innerhalb der habitablen Zone. Venus steht unserem Tagesgestirn zu nahe und ist wegen des Treibhauseffekts in ihrer dichten Kohlendioxid-Atmosphäre so heiß, dass auf ihrer Oberfläche Blei schmelzen würde. Mars ist zu weit von der Sonne entfernt und daher eisig kalt. Zudem besitzt der Rote Planet wegen seiner geringen Masse nur eine sehr dünne Atmosphäre, die den Planeten nicht durch einen Treibhauseffekt aufwärmen kann.

Die Astronomin Eliza Miller-Ricci von der Universität Harward befasste sich nun mit der geologischen Entwicklung von "Super-Erden". Dabei untersuchte sie Fragen wie das Ausgasungsverhalten der Gesteine, mögliche geologische Aktivität wie Plattentektonik oder Vulkanismus und die unterschiedlichen Dichten möglicher Gashüllen.

Bei den besonders massereichen Super-Erden zeichnet sich ein besonderer Trend ab: Ihre Schwerkraft reicht anders als bei der Erde aus, auch größere Mengen an Wasserstoff bei der Bildung aus dem stellaren Urnebel festzuhalten. Daraus könnten sich durch chemische Reaktionen mit den Silikatgesteinen und den von ihnen freigesetzten Gasen sehr große Mengen an Wasser bilden. Befinden sich nun die Super-Erden in der habitablen Zone um ihren Stern, so kann sich das Wasser an ihren Oberflächen ansammeln und die Himmelskörper mit einem tiefen globalen Ozean bedecken.

Solche Planeten würden zu zwei bis zehn Prozent aus Wasser bestehen. Die Masse der irdischen Ozeane erreicht dagegen gerade einmal ein zweitausendstel der Erdmasse, die Erde ist aus geologischer Sicht ein trockener Himmelskörper.
Die Planeten des Sterns HD 40307 im Sternbild Maler | Der rote Zwergstern HD 40307 wird von drei Planeten begleitet, die wahrscheinlich wie auf dieser Computergrafik feste Oberflächen besitzen und überwiegend aus Silikatgesteinen und metallischem Eisen bestehen. Da sie in ihrer Zusammensetzung der Erde ähnlich sind, werden sie als "Super-Erden" bezeichnet. Die Massen der Begleiter von HD 40307 liegen zwischen vier und neun Erdmassen.


Oberhalb einer Masse von etwa zehn Erdmassen kommt es zu einem fließenden Übergang zu Gasplaneten wie Uranus (14 Erdmassen) und Neptun (17 Erdmassen), das heißt der Gasmantel wird so mächtig, dass er einen signifikanten Anteil der Planetenmasse ausmacht. Diese massereicheren Himmelskörper können aus dem stellaren Urnebel eine Atmosphäre mit reichlich molekularem Wasserstoff festhalten, die nicht mehr vollständig mit den Gesteinen des festen Kerns in Wechselwirkung tritt und daher erhalten bleibt.

Derzeit sind acht Super-Erden bekannt, deren Massen zwischen vier und zehn Erdmassen betragen. Drei von ihnen umrunden den 42 Lichtjahre von uns entfernten Stern HD 40307 im Sternbild Maler, ihre Massen betragen 4,2, 6,8 und 9,1 Erdmassen (siehe Computergrafik). Eine weitere Super-Erde umrundet den roten Zwergstern Gliese 581 im Sternbild Waage, ihre Masse liegt bei fünf Erdmassen.

Tilmann Althaus

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