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Extrasolare Planeten: Die erste Massenbestimmung eines marsgroßen Exoplaneten

Mit dem Verfahren der Transitzeiten-Variation konnte erstmals die Masse des nur etwa marsgroßen Exoplaneten Kepler 138b bestimmt werden. Er umrundet sein leuchtschwaches Zentralgestirn zusammen mit zwei weiteren Planeten.
Der heiße Jupiter 51 Pegasi (künstlerische Darstellung)

Rund 220 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Leier befindet sich der Rote Zwerg Kepler 138. Er wird von drei Planeten umrundet, die im Jahr 2009 mit dem Weltraumteleskop Kepler entdeckt wurden. Sie ließen sich mit der Transitmethode aufspüren, die nach den geringfügigen Einbrüchen der Sternhelligkeit fahndet, wenn ein Exoplanet bei jedem Umlauf um sein Zentralgestirn vor dem Mutterstern durchläuft und dabei geringfügig und periodisch dessen Helligkeit schwächt. Aus den Messdaten von Kepler lassen sich aber nur die Durchmesser und die Umlaufperioden dieser Welten bestimmen, Aussagen über ihre Masse und damit ihre Zusammensetzung sind nicht möglich.

Das System Kepler-138 (künstlerische Darstellung)
Das System Kepler-138 | Das Planetensystem von Kepler 138 im Sternbild Leier enthält den bislang kleinsten Exoplaneten, dessen Masse sich ermitteln ließ. Kepler 138b ist etwa halb so groß wie die Erde und enthält sieben Prozent ihrer Masse. Der mit ihm vergleichbare Planet Mars in unserem Sonnensystem kommt auf ein Zehntel Erdmasse.

Ein Forscherteam um Daniel Jontof-Hutter an der Pennsylvania State University nutzte nun das Verfahren der Transitzeiten-Variation (englisch: transit timing variation), um die Masse des innersten und kleinsten Planeten zu ermitteln. Bei vorangegangenen Untersuchungen anderer Astronomengruppen konnten die Massen der beiden äußeren und größeren Welten ermittelt werden, aber bei Kepler 138b ist das dafür eingesetzte Radialgeschwindigkeitsverfahren nicht empfindlich genug, den Planeten als solches wahrzunehmen. Die Transitzeiten-Variation nutzt den Umstand aus, dass sich die drei Planeten im System von Kepler 138 wechselseitig durch ihre Schwerkraft bei ihren Umläufen beeinflussen und es dabei zu geringen Verspätungen und Verfrühungen kommt.

Kepler 138c und d umlaufen ihren Mutterstern in 13,8 und 23,1 Tagen, ihre Umlaufzeiten stehen in einem Verhältnis von annähernd 5:3. Kepler 138b benötigt 10,3 Tage für einen Umlauf, zu Kepler 138c beträgt das Verhältnis der Umlaufzeiten 4:3. Somit kommen sich die Planeten in annähernd periodischen Abständen nahe und ziehen sich wechselseitig an. Dadurch verändern sich die Umlaufzeiten um ihr Zentralgestirn geringfügig. Aus diesen Abweichungen lassen sich über aufwändige rechnerische Verfahren schließlich die Massen der drei Welten ableiten. Für Kepler 138b ergeben sich daraus 0,07 Erdmassen. Dies ist etwas weniger als die Masse des Mars in unserem Sonnensystem, die etwa ein Zehntel der Erdmasse beträgt. Damit ist Kepler 138b der bislang masseärmste Planet um eine ferne Sonne, bei dem sich die Masse bestimmen ließ.

Aus dem bekannten Durchmesser des Planeten leiten die Forscher eine mittlere Dichte von nur 2,6 Gramm pro Kubikzentimeter ab – möglicherweise enthält Kepler 138b größere Mengen an Wasser, was die mittlere Dichte reduzieren würde. Das Wasser müsste allerdings fest in seinen Gesteinen gespeichert sein, denn Kepler 138b trennen von seinem Zentralgestirn nur rund 0,08 Astronomische Einheiten (zwölf Millionen Kilometer). Trotz seines leuchtschwachen Sterns erhält Kepler 138b somit die 6,8-fache Intensität der Sonneneinstrahlung, die auf die Erde fällt. Somit ist diese Welt für Leben, wie wir es kennen, wohl denkbar ungeeignet.

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  • Quellen
Originalarbeit: Jontof-Hutter, D. et al., Nature 522, S. 321 – 323, 2015DOI: 10.1038/nature14494

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