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Exoplaneten: Supererden machen Superprobleme

Planetenkundler reiben sich die Augen: Kepler findet immer mehr Exoplaneten, die es laut Theorie gar nicht geben dürfte. Die Modelle bedürfen einer dringenden Überarbeitung.

Nun, da das Weltraumteleskop Kepler neue Exoplaneten gleich im Dutzend entdeckt, überraschen Mitteilungen wie diese kaum noch jemanden: 2326 Planetenkandidaten habe der Satellit identifiziert, hieß es beispielsweise Anfang Dezember auf der ersten Kepler-Fachtagung am NASA Ames Research Center im kalifornischen Moffet Field. Seine Ausbeute hat das Weltraumobservatorium damit seit Februar nahezu verdoppeln können.

Womit dagegen niemand gerechnet hat, ist der unerwartet hohe Anteil an "Supererden" unter diesen Fundstücken: Planeten also, die größer sind als die Erde, kleiner jedoch als der Neptun. Sie machen ungefähr ein Drittel bis die Hälfte aller neu entdeckten Welten aus. Es scheint sogar, als handele es sich bei dieser gerade erst geschaffenen Kategorie um den häufigsten Planetentyp überhaupt im Weltall.

Bereits die schiere Existenz von Planeten dieses Typs bereitet den Astronomen Kopfzerbrechen; umso schlimmer, dass viele dieser Supererden ihren Stern in einer äußerst engen Umlaufbahn umkreisen – exakt dort, wo sie laut den Modellen der Forscher gerade nicht sein dürften.

Supererden en masse
Supererden en masse | Bodengestützte Teleskope haben rund 650 Exoplaneten anhand des Wackelns ihres Heimatsterns ausgemacht. Dabei kam eine Klasse von Planeten zum Vorschein, deren Verhältnis von Masse zu Umlaufbahn in einem Bereich liegt, in dem laut aktuellen Modellen gar keine Planeten existieren dürften.

"Das stellt uns alle vor Herausforderungen", bekennt Douglas Lin, Direktor des Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics der Universität Peking, der die Entstehung von Planeten mit Hilfe von Modellrechnungen erforscht. An ein paar Parametern zu drehen, würde das Problem nicht lösen, so der Forscher: "Wir sind gezwungen, die Physik dahinter zu überdenken."

Bröckchen in der Scheibe

Ältere Modelle zur Planetenentstehung basierten zwangsläufig auf Vorstellungen, die an unserem eigenen Sonnensystem gewonnen wurden: Sie führen zu zwei fein säuberlich getrennten Planetenkategorien und haben das so genannte Kern-Akkretionsmodell als Basis. Dabei geht man davon aus, dass sich eine Scheibe aus Gas und Staub um den jungen Stern dreht, deren Material sich im Lauf der Zeit zu Klümpchen aus Fels und Eis, Planetesimale genannt, zusammenzieht. Die Planetenvorläufer stoßen fortwährend aneinander und vereinigen sich dabei zu immer größeren Brocken.

In den inneren Regionen einer solchen protoplanetaren Scheibe fehlt jedoch das nötige Material, um die Kerne zu mehr als Erdgröße heranwachsen zu lassen. Weiter draußen hingegen sammeln sie Vorläufer bis zu zehn Erdmassen oder mehr auf. Irgendwann sind sie schließlich massereich genug, um ein gewaltiges Gasvolumen in ihrer Atmosphäre festzuhalten: Es entstehen Gasriesen wie Jupiter.

Schon die allerersten Exoplaneten, die man Mitte der 1990er entdeckte, widersprachen dieser Theorie. Es handelte sich dabei um eben jene jupiterartigen Gasriesen; nur hatten sie Umlaufperioden von einigen Erdtagen, umkreisten ihren Stern also auf einer sehr engen Bahn. Die Theoretiker reagierten darauf mit einer Anpassung ihrer Modelle: Sie ließen die "heißen Jupiter" zwar immer noch weit draußen entstehen, erlaubten ihnen dann aber, allmählich Richtung Zentrum zu wandern. Diejenigen Giganten, die diese Reise hinter sich hatten, waren den Planetenjägern ins Netz gegangen.

Zwei Planetenschicksale

Die angepassten Modelle machten allerdings auch die Voraussage, dass jeder Planet, der zu Supererdengröße heranwächst, entweder als Gasriese enden oder aber von seinem Stern verschluckt würde. Im entsprechenden Abschnitt der Planetendiagramme sollte sich daher eine trostlose Einöde ausbreiten. "Es hat aber mehr was von einem tropischen Regenwald", findet Andrew Howard, Astronom von der University of California in Berkeley. Keplers Entdeckungen hätten mit dieser Theorie kurzen Prozess gemacht. "Hoffentlich können wir das noch in unsere Theorien integrieren."

Das NASA-Weltraumobservatorium misst die Größe eines Planeten, indem es die geringe Verdunklung eines Sterns aufzeichnet, wenn ein Planet an ihm vorbeizieht. Dies liefert ein indirektes Maß für die Größe des Himmelskörpers. Für eine Handvoll der von Kepler entdeckten Supererden haben Forscher nun nachträglich auch die Masse bestimmt. Dabei beobachteten sie mit Hilfe erdgestützter Teleskope das leichte Wackeln der Sterne, das auf den Schwerkrafteinfluss des sie umrundenden Planeten zurückgeht. Wie sich zeigte, haben einige dieser Supererden eine sehr geringe Dichte – was wiederum darauf hindeutet, dass sie aus einem kleinen felsigen Kern und einer großen Hülle aus Eis bestehen.

Am Gasriesen vorbeigeschrammt

Jack Lissauer, Kepler-Experte vom Ames Research Center, schlägt nun vor, dass solche Supererden als kleine Kerne in den äußeren Regionen ihres Sonnensystems entstehen. Dort würden sie ebenfalls größere Mengen an Gas einsammeln, ohne allerdings den Punkt zu erreichen, an dem ihr Zuwachs – wie bei Gasriesen – nicht mehr zu stoppen wäre.

Einem solchen Planeten würde dann der gewaltige gravitative Zug fehlen, der den Giganten hilft, ihre Atmosphäre festzuhalten. Ihre Hülle wäre daher groß und von sehr geringer Dichte, dennoch könnten sie zu den endgültigen Ausmaßen einer Supererde heranwachsen, wenn ein Abkühlungsprozess ihre Atmosphäre schrumpfen lässt. Das dürfte das Ansammeln weiterer Gasmassen ermöglichen, schätzt Lissauer.

"Erst migrieren, dann zusammenbauen!"
(Norm Murray)

Unklar bleibt bei diesem Szenario allerdings, wie es zu kleineren und dichteren Supererden kommen kann. Einige solche Planeten kenne man bereits, und nun nähere sich auch Kepler einem Empfindlichkeitsbereich, in dem genau dieser Typ für ihn messbar werde, meint Greg Laughlin, Astronom von der University of California in Santa Cruz. "Im Moment sieht Kepler lediglich die Spitze des Eisbergs", so der Planetenkundler.

Planetenentstehung auf den Kopf gestellt

In Erklärungsnot geraten die Forscher auch, wenn es um die Position der Supererden geht. Wie können sie sich so nah an ihrem Zentralgestirn aufhalten? Lissauer glaubt, der Fehler stecke in der Modellierung der Migrationsbewegungen. Sein Kollege Norm Murray jedoch, der an der University of Toronto alternative Entstehungsszenarien für Supererden untersucht, hat eine ganz andere Idee: In seinem Modell bilden sich solche Planeten nicht in den Außenbezirken und werden dann ins Innere geschleudert, sondern es wandern felsige Planetesimale nach Innen, um dann im zweiten Schritt an Masse zuzulegen. "'Erst migrieren, dann zusammenbauen' ist das Schlagwort", sagt er.

Wie dem auch sei, ob nun das Wandern oder das Anwachsen am Anfang steht, man könne sicher sein, dass die Modellierer einen Weg finden, die Beobachtungen zu erklären, meint Greg Laughlin. "Sie können es in der Tat kaum erwarten, die Fehler in den Modellen zu beheben." Aber es dürfte wohl kaum das letzte Mal sein, dass sie ihre Software überarbeiten müssen. "Was auch immer die nächste große Entdeckung sein wird – wenn Sie mich fragen, werden die Modellierer komplett daneben liegen."

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