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Exoplaneten: Weltraumteleskop Kepler findet seinen ersten Felsplaneten

Exoplanet Kepler-10b
Exoplanet Kepler-10b
Exoplanet Kepler-10b | Der Exoplanet Kepler-10b ist wegen seines geringen Abstands zu seinem Mutterstern eine unwirtliche Welt wie in dieser künstlerischen Darstellung. Unter der Annahme, das der Exoplanet gebunden rotiert, also seinem Zentralgestirn stets die gleiche Seite zuwendet, heizt sich die zum Stern weisende Region auf bis zu 1400 Grad Celsius auf (helle gelbe Region). Daher dürften die silikatischen Gesteine auf seiner Oberfläche weitgehend geschmolzen sein. Kepler-10b ist für Leben wie wir es kennen, denkbar ungeeignet.
Mit dem Weltraumteleskop Kepler gelang der erste sichere Nachweis eines felsigen Exoplaneten, einer so genannten Super-Erde. Kepler-10b umkreist einen rund 560 Lichtjahre von uns entfernten sonnenähnlichen Stern im Sternbild Schwan und hat mit rund 18 000 Kilometer den 1,4-fachen Durchmesser der Erde. Der Nachweis gelang einem Forscherteam um Natalie Batalha an der San Jose State University im US-Bundesstaat Kalifornien.

Seit Mai 2009 beobachtet das Weltraumteleskop Kepler einen Ausschnitt der Sternbilder Schwan und Leier und überwacht dabei rund 150 000 Sterne in dieser Himmelsregion. Mittels eines Fotometers registriert er im Abstand von einer halben Stunde die Helligkeiten der Sterne in seinem Blickfeld. Dabei halten die Forscher Ausschau nach periodischen Schwankungen der Sternhelligkeiten.

Die meisten der nachgewiesenen periodischen Veränderungen gehen dabei auf die Sterne selbst zurück, wenn sie beispielsweise wegen Vorgängen in ihrem Inneren variabel sind oder ein enges Doppel- oder Mehrfachsystem bilden und sich bei ihren Umläufen umeinander wechselweise bedecken. Dennoch bleiben nach der Ausmerzung dieser veränderlichen Sterne genügend Kandidaten zurück, bei denen der Verdacht besteht, dass sie von einem oder mehreren Planeten begleitet werden. Während ihrer Umläufe passieren sie von uns aus gesehen ihren Mutterstern und schwächen bei diesen Transits dessen Licht geringfügig ab.

Lichkurve von Kepler-10b
Lichtkurve von Kepler-10b | Nur um wenige Promille dämpft der Exoplanet Kepler-10b bei seinen Vorübergängen an seinem Zentralgestirn die Helligkeit seines Muttersterns. Links ist die relative Helligkeit abgetragen, unten ein Zeitraum von zehn Tagen. Die roten vertikalen Linien verdeutlichen die Transits des Exoplaneten, die Einsenkung bei der hellblauen Linie geht auf eine Helligkeitsschwankung des Sterns zurück, die von Vorgängen im Sterninneren herrührt.
Auch Kepler-10b wurde mit der Transitmethode nachgewiesen. Da er wegen seiner geringen Größe nur eine sehr kleine Abschwächung von wenigen Promille der Helligkeit seines Zentralgestirns verursacht, war seine Entdeckung schwierig und nur mittels sorgfältiger Datenanalyse möglich. Für den Nachweis nutzte das Team Kepler-Beobachtungen von Mai 2009 bis Januar 2010. Trotz der großen Datenbasis ist das von Kepler-10b erzeugte Signal sehr klein und die Lichtkurve sehr verrauscht, siehe beigestelltes Bild.

Aus den Transitdaten ergibt sich neben der Umlaufperiode auch der Durchmesser von Kepler-10b. Durch nachfolgende Beobachtungen mittels der erdgebundenen Zehn-Meter-Keck-Teleskope auf dem Mauna Kea im US-Bundesstaat Hawaii ließ sich der Exoplanet auch spektroskopisch mittels des Radialgeschwindigkeitsverfahrens nachweisen: Stern und Planet umrunden einen gemeinsamen Schwerpunkt. Dabei bewegt sich der Stern periodisch auf uns zu und wieder von uns weg, wodurch die von ihm ausgehende Strahlung durch den Dopplereffekt geringfügig mal ins Blaue und darauf ins Rote verschoben wird.

Die Zusammensetzung von Kepler-1ob
Die Zusammensetzung von Kepler-10b | Hier sind die mutmaßlichen Zusammensetzungen von drei Exoplaneten gemeinsam mit den bekannten Werten der Planeten Mars, Venus und Erde aufgetragen. Links findet sich der Radius in Erdradien, unten die Masse in Erdmassen. Der neuentdeckte Exoplanet Kepler-10b füllt die kleine rote Ellipse aus. Die mittlere weiße Linie earth composition verdeutlicht eine Zusammensetzung mit dem gleichen Silikat-zu-Eisen-Verhältnis wie in der Erde. Die Werte für Mars und Venus liegen annnähernd auf der Linie der irdischen Zusammensetzung, Kepler-10b weist offenbar einen höheren Anteil an Eisen auf. CoRot-7b und GJ 1214b sind bereits länger bekannte Exoplaneten, die jedoch stärker von der Erde abweichen.
Misst man diese periodischen Schwankungen mittels eines Präzisionsspektrografen, so lässt sich aus den Daten die Masse des Begleiters ermitteln. Kepler-10b besitzt die 4,6-fache Masse der Erde und eine mittlere Dichte von 8,8 Gramm pro Kubikzentimeter. Damit liegt seine Dichte deutlich höher als diejenige der Erde von 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Kepler-10b aus silikatischen Gesteinen mit einem hohen Anteil an metallischem Eisen aufgebaut ist, wobei der Eisengehalt wohl höher als bei der Erde sein dürfte.

Kepler-10b umrundet sein Zentralgestirn innerhalb von nur 0,84 Tagen, also in rund 20 Stunden, und ist weniger als drei Millionen Kilometer von dessen Oberfläche entfernt. Wege dieser großen Nähe dürfte die Temperatur auf der dem Stern zugewandten Oberfläche bis zu 1400 Grad Celsius betragen. Somit ist dieser Exoplanet für Leben wie wir es kennen, denkbar ungeeignet.

Kepler-10b wendet mit hoher Wahrscheinlichkeit seinem Zentralgestirn immer die gleiche Seite zu, er rotiert gebunden. Das heißt, er benötigt für eine Rotation um seine Achse genau so lange wie für einen Umlauf um seinen Stern. Der Grund dafür sind die in Sternnähe großen Gezeitenkräfte, die den Exoplaneten wohl schon kurz nach seiner Entstehung in die gebundene Rotation zwangen.

Der Mutterstern Kepler-10 ist ein sonnenähnlicher Stern des Spektraltyps G4 mit 90 Prozent der Sonnenmasse. Spektraluntersuchungen zeigten, dass er mit rund acht Milliarden Jahren deutlich älter ist als unsere Sonne und unser Planetensystem mit 4,6 Milliarden Jahren. Er hat sich deshalb schon weiter auf der Hauptreihe des Hertzsprung-Russell-Diagramms entwickelt und weist den 1,06-fachen Durchmesser der Sonne auf.

Tilmann Althaus

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  • Quellen
NASA Press Release 11–007

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