48 März 2012 Sterne und Weltraum



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48  März 2012 

Sterne und Weltraum

S

eit  Mai  2009  hält  das  Weltraum­



teleskop  Kepler  eine  Region  im 

Grenzbereich  der  Sternbilder 

Schwan und Leier unter ständiger 

Beobachtung  und  registriert  dabei  jede 

halbe  Stunde  die  Helligkeiten  von  mehr 

als 156 000 Sternen. Die Hauptaufgabe von 

Kepler ist die Suche nach Exoplaneten um 

fremde Sterne, die bei jedem Umlauf von 

uns aus gesehen vor ihrem Zentralgestirn 

vorüberziehen und dabei dessen Licht pe­

riodisch  geringfügig  abschwächen.  Mitt­

lerweile hat die Mission einen reichen Da­

tenbestand erbracht. Aus dem Wust dieser 

Messwerte  wurden  bislang  2326  Exopla­

neten­Kandidaten  ermittelt,  so  genannte 

»Kuiper objects of interest« (KOI), die nun 

weitergehender Bearbeitung sowie der Be­

stätigung  mittels  anderer  Messverfahren 

und Instrumente bedürfen.

Bei der Bearbeitung identifizierten zwei 

Forscherteams  um  François  Fressin  vom 

Harvard­Smithsonian  Center  for  Astro­

physics  in  Massachusetts  und  Thomas  N. 

Gautier vom Jet Propulsion Laboratory der 

NASA  in  Kalifornien  insgesamt  fünf  Pla­

neten,  die  den  sonnenähnlichen  Stern 

Kepler  20  umkreisen.  Das  System  ist  sehr 

klein,  denn  alle  Planeten  umrunden  den 

Zentralstern  in  geringerem  Abstand  als 

Merkur unsere Sonne (siehe Grafik rechts). 

Drei  von  ihnen,  die  Begleiter  20 b,  20 c 

und 20 d, sind wahrscheinlich Gasplaneten 

mit  etwas  geringeren  Durchmessern  als 

Uranus und Neptun in unserem Sonnensys­

tem. Dagegen sind die Himmelskörper 20 e 

und  20 f  mit  dem  0,86­fachen  beziehungs­

weise 1,03­fachen Erddurchmesser offenbar 

erd ähn li che Welten aus Gestein und metal­

lischem  Eisen  (siehe  Grafiken  oben).  Sie 

sind etwa so groß wie Venus und Erde und 

unterbieten  den  bisherigen  Rekord  an 

Erdähnlichkeit von Kepler 10 b mit 1,4­fach­

er Erdgröße recht deutlich. 

Der  Rekord  vom  Dezember  2011  hatte 

nicht lange Bestand, denn schon im Januar 

präsentierte ein Forscherteam um Philip S. 

Muirhead vom California Institute of Tech­

nology das äußerst kompakte System KOI­

961,  dessen  drei  Planeten  allesamt  kleiner 

als  Venus  und  Erde  sind  (siehe  die  Grafik 

oben). 

Das Außergewöhnliche am Planeten sys­



tem  von  Kepler  20  ist  die  wechselnde  Ab­

folge  von  Gasplaneten  mit  felsigen  Pla­

neten, das heißt, jeder Felsplanet hat einen 

oder  zwei  Gasplaneten  als  unmittelbare 

Nachbarn (siehe Bild auf S. 50 unten). Das 

Zentralgestirn  ist  ein  sonnenähnlicher 

Stern  mit  der  0,9­fachen  Masse  und  dem 

Kepler 20

und

KOI-961

Mit dem Weltraumteleskop Kepler gelang kürzlich der Nachweis von zwei  

Sternsystemen, in denen Planeten von Erdgröße vorkommen. Diese kreisen  

jedoch alle so nahe um ihr Zentralgestirn, dass sie für Leben zu heiß sind.

Von Tilmann Althaus

Zwei ungewöhnliche Sonnensysteme

WelT der WISSenSchAfT:

exOplAneTen

NASA / SuW-Grafik



Kepler 20 e

KOI-961.03

KOI-961.02

KOI-961.01

Merkur

Mars


www.sterne-und-weltraum.de

März 2012



49

0,94­fachen  Durchmesser  unserer  Sonne 

und gehört zum Spektraltyp G8. Er ist da­

mit  etwas  kühler  und  leuchtschwächer  

als  unser  Tagesgestirn  und  steht  rund 

950  Lichtjahre  von  uns  entfernt.  Sein 

Spektrum  weist  auf  ein  Alter  von  rund 

8,8  Milliarden  Jahren  hin;  er  ist  somit 

deutlich  älter  als  unsere  Sonne  mit 

4,5 Milliarden Jahren. 



die Trabanten von Kepler 20

Alle Begleiter von Kepler 20 zeigen charak­

teristische Eigenschaften, und keiner von 

ihnen gleicht völlig dem anderen. Der in­

nerste  Planet  Kepler  20 b  umrundet  das 

Zentralgestirn in 3,7 Tagen in einem mitt­

leren  Abstand  von  nur  0,045  Astrono­

mischen  Einheiten  (eine  Astronomische 

Einheit,  AE,  ist  der  mittlere  Abstand  von 

der Erde zur Sonne und beträgt 149,6 Mil­

lionen Kilometer). Dieser Himmelskörper 

hat  einen  Durchmesser  von  rund 

24 000  Kilometern  (1,9­facher  Erddurch­

messer) und die 8,7­fache Erdmasse. Seine 

mittlere  Dichte  liegt  bei  6,5  Gramm  pro 

Kubikzentimeter und ist damit etwas hö­

her als diejenige der Erde mit 5,5 Gramm 

pro  Kubikzentimeter.  Die  Oberflächen­

temperatur  beträgt  wegen  der  großen 

Sonnennähe  rund  740  Grad  Celsius,  hier 

wären Metalle wie Zinn, Aluminium oder 

Blei bereits lange flüssig. 

Auf  ihn  folgt  nach  außen  Kepler  20 e 

(die Planeten tragen ihre Kennbuchstaben 

in  der  Reihenfolge  ihrer  Beschreibung 

durch  die  Entdecker).  Mit  einem  Durch­

messer  von  11 000  Kilometern  ist  er  klei­

ner als Venus (12 100 Kilometer, siehe Gra­

fik oben). Er umrundet sein Zentralgestirn 

in 6,1 Tagen in einem Abstand von 0,05 AE. 

Seine  Masse  ist  bislang  nur  ungenau  be­

kannt. Sie beträgt nach den theoretischen 

Überlegungen  des  Forscherteams  um 

François Fressin zwischen dem 0,4­Fachen 

und dem 1,7­Fachen der Erdmasse, wobei 

ein  Wert  von  rund  einer  Erdmasse  am 

wahrscheinlichsten  ist.  Die  Oberflächen­

temperatur  beträgt  um  700  Grad  Celsius; 

lebensfreundlich sieht anders aus. 

Kepler 20 c benötigt 10,9 Tage für einen 

Umlauf in einer mittleren Entfernung von 

0,09  AE.  Mit  einem  Durchmesser  von 

39 000 Kilometern ist er der größte Planet 

dieses  Systems.  Er  enthält  16  Erdmassen 

und liegt damit zwischen den Massen von 

Uranus  (14,5  Erdmassen)  und  Neptun 

(17 Erdmassen). Seine mittlere Dichte von 

nur 2,9 Gramm pro Kubikzentimeter weist 

darauf  hin,  dass  dieser  Himmelskörper 

wohl zu einem großen Teil aus flüchtigen 

Stoffen  wie  Wasserstoff,  Helium,  Wasser, 

Methan  und  Ammoniak  besteht.  Er  hat  

eine  Oberflächentemperatur  von  rund 

440 Grad Celsius.

Kepler 20 f ist wiederum ein Felsplanet, 

der  für  eine  Umkreisung  19,6  Tage  benö­

tigt  und  dabei  0,11  AE  von  seinem  Stern 

entfernt ist. Mit einem Durchmesser von 

13 100  Kilometern  ist  er  ungefähr  gleich 

groß wie die Erde. Aber mit einer Oberflä­

chentemperatur  von  430  Grad  Celsius  ist 

auch er für Leben, wie wir es kennen, ab­

solut  ungeeignet.  Seine  Masse  ist  wie  bei 

Kepler  20 e  nur  ungenau  bestimmt;  das 

Forscherteam  um  Fressin  grenzt  den  Be­

reich  zwischen  der  0,7­fachen  und  der 

dreifachen Erdmasse ein.

Den  Abschluss  des  Systems  nach  au­

ßen  bildet  schließlich  Kepler  20 d,  der 

77,6  Tage  für  einen  Umlauf  benö tigt.  Bei 

ihm dürfte es sich wie bei Kepler 20 c um 

einen neptunähnlichen Gasplaneten han­



Merkurbahn

Kepler 20d

Kepler 20c

Kepler 20b

Kepler 20 f

Kepler 20 e

die Bahnen der fünf planeten des Systems

Kepler 20 sind hier maßstabsgetreu

zueinander eingezeichnet. Sie alle liegen

innerhalb der zum Vergleich dargestellten

Umlaufbahn des planeten Merkur um die

Sonne.

NA

SA / SuW



-Gr

afik


die vom Weltraumteleskop Kepler

gefundenen planeten von nahezu

erdgröße in den Systemen Kepler 20

und KOI-961 ähneln den vier

terrestrischen planeten unseres

Sonnensys tems, Merkur, Mars, Venus

und erde in Größe und Beschaffen-

heit. KOI-961.03 ist der derzeit kleins-

te bekannte exoplanet im Umlauf um

einen normalen Stern.

Kepler 20 f

Kepler 20 e

Erde

Venus


50  März 2012 

Sterne und Weltraum

deln,  für  dessen  Masse  die  Forscher  eine 

Obergrenze  von  20  Erdmassen  angeben. 

Auch  er  enthält  einen  großen  Anteil  an 

leichtflüchtigen Stoffen. Er umrundet sein 

Zentralgestirn  in  einem  mittleren  Ab­

stand von 0,35 AE und ist an seiner Ober­

fläche rund 100 Grad Celsius heiß.

ein rätselhaftes System

Das  Auftreten  von  Gasplaneten  und  Fels­

planeten  im  gleichen  Raumbereich  um  ei­

nen Stern stellt die bisherigen Theorien der 

Planetenforscher  auf  den  Prüfstand.  Bis­

lang gehen sie davon aus, dass Felsplaneten 

und  Gasriesen  in  einer  den  Stern  umge­

benden Scheibe aus Gas und Staub entste­

hen. Sie bilden sich dabei in Re gio nen, die 

unterschiedlich  weit  von  ihrem  Zentralge­

stirn  entfernt  sind.  Felsplaneten,  die  über­

wiegend aus hoch schmelzenden Silikatge­

steinen und metallischem Eisen aufgebaut 

sind, sollten sich in geringem Abstand zum 

Mutterstern  zusammenballen,  wo  dessen 

Wärmestrahlung  das  Ansammeln  von  Ga­

sen  und  leichtflüchtigen  Stoffen  wie  Was­

ser, Methan oder Kohlendioxid verhindert. 

In  größerem  Abstand,  wo  sich  letztere 

Stoffe  als  Festkörper  niederschlagen  kön­

nen, soll ten sich dagegen die Gasriesen bil­

den.  Die  Trennlinie  zwischen  den  Entste­

hungsregionen  der  felsigen  Planeten  und 

der  Gasplaneten  wird  auch  als  »Schnee­

grenze«  bezeichnet.  Den  gängigen  Theo­

rien  zufolge  entsteht  zunächst  ein  mas­

sereicher, fester Kern. Dieser Planetenem­

bryo  zieht  bei  Überschreiten  einer  kri­

tischen  Masse  mit  seiner  Schwerkraft  die 

Gase  des  solaren  Urnebels,  insbesondere 

auch  Wasserstoff  und  Helium,  aus  seiner 

näheren  Umgebung  an  sich  und  wächst 

dann rasant. Somit ähneln die che mi schen 

Zusammensetzungen  der  Gasplaneten 

eher derjenigen ihres Zentralgestirns.

Bei den seit rund 17 Jahren bekannten 

»heißen  Jupitern«,  also  Gasplaneten,  die 

ihren Stern in äußerst geringem Abstand 

umrunden,  nehmen  die  Astronomen  an, 

dass  sie  sich  zunächst  wesentlich  weiter 

entfernt  bilden.  Erst  später  kommt  es 

durch  gravitative  Wechselwirkungen  mit 

den  Gas­  und  Staubmassen  der  Scheibe 

und/oder mit weiteren Planeten zu einer 

Wanderung der jungen Gasriesen in Rich­

tung  Zentrum,  zu  einer  Migration.  Man­

che  der  Gasriesen  stürzen  schließlich  in 

ihre  Sonne,  andere  dagegen  ziehen  ihre 

Runden  knapp  über  deren  glühender 

Oberfläche.

Aber wie lässt sich der besondere Auf­

bau  des  Systems  Kepler  20  erklären?  Die 

Entdecker der drei massereichen Planeten 

gehen darauf in ihrer beim »Astrophysical 

Journal« eingereichten Arbeit ein. Sie neh­

men  an,  dass  insbesondere  die  Planeten 

Kepler  20 c  und  20 d  große  Mengen  an 

leichtflüchtigen  Stoffen  enthalten.  Dabei 

sollte  vor  allem  Wassereis  den  Hauptan­

teil  ihrer  Masse  ausmachen.  Aber  auch 

mit  einer  dichten,  überwiegend  aus  Was­

serstoff und Helium bestehenden Gashül­

le, die etwa ein Prozent der Planetenmasse 

enthält und einen erdähnlichen Kern aus 

Silikatgesteinen  und  metallischem  Eisen 

umschließt,  ließen  sich  die  beobachteten 

Eigenschaften  der  beiden  Planeten  erklä­

ren.  Schwieriger  ist  der  innerste  Trabant 

Kepler 20 b einzustufen. Er ist möglicher­

weise  eine  erdähnliche  Welt  mit  fester 

Oberfläche, vielleicht aber auch von einer 

bedeutenden Gashülle umgeben. 

Da  sich  alle  Planeten  von  Kepler  20 

dicht  an  ihrem  Zentralgestirn  befinden, 

könnten  durch  die  eingestrahlte  Wärme 

größere Anteile ihrer Atmosphären ins All 

entwichen sein. Dies gilt insbesondere für 

Gashüllen aus den leichten Gasen Wasser­

stoff  und  Helium.  Für  Kepler  20 b  berech­

nen die Forscher in diesem Fall einen Mas­

senverlust  von  immerhin  0,02  Erdmassen 

pro Milliarde Jahre. Für die Planeten Kepler 

20 c  und  20 d  ermittelten  sie  Verlustraten 

von  0,01  beziehungsweise  0,0004  Erdmas­

sen  pro  Milliarde  Jahre.  Die  Forscher  ver­

KOI-961.03

KOI-961.02

Io

Europa

Ganymed

Kallisto

KOI-961 und die drei bekannten Planeten

Jupiter und die vier galileischen Monde

KOI-961.01

Kepler 20b

Kepler 20

Kepler 20d

Merkur

Kepler 20c

Kepler 20f

Kepler 20e

Mer

k

u

r

b

a

h

n

NA

SA / SuW



-Gr

afik


F. F

ressin / SuW

-Gr

afik


rätselhaft: Im kompakten System Kepler 20 umkreisen Gas- und felsplane-

ten in wechselnder folge ihre Sonne, was die Theoretiker vor große probleme

stellt. Alle planeten sind ihrem Stern näher als Merkur unserer Sonne.

ein Vergleich des planetensystems von KOI-961 mit dem planeten Jupiter

und dessen vier großen Monden verdeutlicht seine geringe Ausdehnung.

der äußerste planet KOI-961.03 umkreist sein Zentralgestirn nur geringfü -

gig weiter entfernt als der äußerste große Mond Kallisto den Jupiter.


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März 2012



51

muten, dass die Verlustraten in der Jugend 

von Kep ler 20 beträchtlich höher lagen, als 

der Stern noch weit aktiver war. Inter essant 

ist, dass der innerste und damit auch hei­

ßeste  Planet  die  höchste  Dichte  aller  Tra­

banten in diesem System aufweist.

Für  die  beiden  erdgroßen  Welten  Kep­

ler  20 e  und  20 f  vermuten  die  Forscher, 

dass sie aufgrund der thermischen Be las­

tung durch ihren Mutterstern und ihre re­

lativ  geringe  Schwerkraft  keine  mas se rei­

chen  Gashüllen  festhalten  konnten.  Aber 

für die Wechselfolge von Welten mit gro­

ßen  Anteilen  an  flüchtigen  Substanzen 

und  Gesteinsplaneten  ohne  bedeutende 

Atmosphären können die Wissenschaftler 

um Thomas Gautier noch keinen theo re ti­

schen Ansatz anbieten.

KOI-961: ein Minisonnensystem

Weniger rätselhaft, aber dafür kurios mu­

tet  die  Entdeckung  der  Astronomen  um 

Philip  S.  Muirhead  an.  Sie  stießen  in  den 

Daten  von  Kepler  auf  ein  winziges  Stern­

system mit drei Planeten, die einen roten 

Zwergstern umrunden. Dabei ist das gan­

ze  Sonnensystem  nur  wenig  größer  als 

das  Jupitersystem  mit  den  vier  großen 

Monden Io, Europa, Ganymed und Kallis­

to (siehe Grafik links oben). 

KOI­961 ist ein Stern der Spektralklasse 

M und weist nur 13 Prozent der Sonnen­

masse auf. Er leuchtet mit lediglich einem 

Fünfhundertstel  der  solaren  Leuchtkraft 

und  ist  126  Lichtjahre  von  uns  entfernt. 

Seine  drei  Planeten  tragen  die  Bezeich­

nungen  KOI­961.01,  KOI­961.02  und  KOI­

961.03. Ihre Durchmesser betragen 78, 73 

und 57 Prozent des Erddurchmessers (sie­

he auch Grafik auf S. 48 oben). Der kleins­

te  von  ihnen,  KOI­961.03,  misst  nur 

7300  Kilometer  und  ist  somit  nur  etwas 

größer als der Rote Planet, Mars (6800 Ki­

lometer). 

Um  mehr  über  die  Begleiter  und  ihr 

Zentralgestirn  herauszufinden,  setzte  das 

Forscherteam  große  erdgebundene  Tele­

skope ein, darunter auch eines der beiden 

Zehn­Meter­Teleskope  des  Keck­Observa­

toriums  auf  dem  Mauna  Kea  auf  Hawaii. 

Da der Rote Zwerg recht weit entfernt von 

uns liegt, gestaltet es sich wegen seiner ge­

ringen  Leuchtkraft  schwierig,  präzise  Da­

ten und Spektren von ihm aufzunehmen. 

Um  ihn  dennoch  ausreichend  genau  zu 

charakterisieren,  verglichen  die  As tro no­

men seine Daten mit denjenigen von Bar­

nards  Stern  oder  Gl  699,  der  nur  sechs 

Lichtjahre von uns entfernt ist. Dieser be­

findet  sich  im  Sternbild  Schlangenträger 

und  fiel  im  Jahr  1916  dem  US­amerika­

nischen  Astronomen  Edward  E.  Barnard 

durch seine hohe Wandergeschwindigkeit 

gegenüber  den  Hintergrundsternen  auf. 

Dies  brachte  ihm  auch  die  Bezeichnung 

»Barnards Pfeilstern« ein.

Der  Vergleich  belegte,  dass  sich  die 

spektralen Daten und Sternparameter von 

KOI­961  und  Gl  699  zum  Verwechseln  äh­

neln,  so  dass  die  Forscher  Barnards  Pfeil­

stern als Modell für die weiteren Untersu­

chungen  einsetzten.  Es  zeigte  sich,  dass 

der Rote Zwerg etwa ein sechstel Sonnen­

durchmesser  erreicht  und  mit  seinen 

240 000  Kilometern  nur  etwa  70  Prozent 

größer  als  der  Planet  Jupiter  ist.  Sein  in­

nerster Begleiter KOI­961.02 umrundet ihn 

in einem Abstand von 0,006 AE (900 000 Ki­

lometer) und benötigt dafür nur 10,9 Stun­

den.  Ihm  folgt  nach  außen  KOI­961.01  in 

einem Abstand von 0,012 AE und einer Pe­

riode  von  29  Stunden.  Den  Abschluss  bil­

det der marsgroße KOI­961.03 mit 0,015 AE 

und 45 Stunden für einen Umlauf. Alle Pla­

neten  befinden  sich  sehr  dicht  am  Roten 

Zwerg  und  sind  somit  zu  heiß  für  Leben, 

wie wir es kennen. Die Wissenschaftler ge­

ben  Oberflächentemperaturen  zwischen 

450 und 180 Grad Celsius an. 

KOI­961  ist  der  bislang  masseärmste 

Stern  im  Blickfeld  von  Kepler,  bei  dem 

sich  Planeten  finden  ließen.  Die  Wissen­

schaftler  um  Muirhead  vermuten,  dass 

bei M­Zwergen recht häufig Planeten vor­

kommen. Da aber Rote Zwerge die bei Wei­

tem häufigsten Sterne in unserem Milch­

straßensystem  sind,  könnte  sich  tatsäch­

lich  die  Mehrzahl  aller  Planeten  im  Um­

lauf  um  leuchtschwache  rote  Sonnen  be­

finden.  Allerdings  geht  auch  bei  diesem 

Sterntyp  die  Suche  nach  einer  echten 

zweiten  Erde,  die  Leben  tragen  könnte, 

weiter.  



literaturhinweise

fressin, f. et al.: Two Earth-Sized Planets 

Orbiting Kepler-20. In: Nature, advanced 

online publication, 10.1038/ 

nature10780, 2011



Gautier, T.n. et al.: Kepler-20: A Sun-Like 

Star with Three Sub-Neptune Exopla-

nets and Two Earth-Size Candidates. 

arxiv: 1112.4514v1, 2011



Muirhead, p.S. et al.: Characterizing the 

Cool KOIs III. KOI-961: a Small Star with 

Large Proper Motion and Three Small 

Planets. arXiv:1201.2189v1, 2012



TIlMAnn AlThAUS ist seit 

2002 Redakteur bei »Sterne 

und Weltraum«. Er betreut 

vor allem Themen zur Plane-

tenforschung und Raum-

fahrt.


Planetenmasse in Erdmassen

Planetenr

adius in Er

dr

adien



HD 97658b

GJ 1214b


Kepler 11f

Kepler 10b

Kepler 10b

Kepler 20f

Kepler 20e

55 Cnce


55 Cnce

Kepler 18b

Kepler 18b

Kepler 20b

Kepler 20b

CoRoT 7b


CoRoT 7b

Kepler 11b

Kepler 11b

Erde

Erde

Venus

Venus

Mars

Wassereis



Zusammensetzung

Eisen


MgSiO

3

 (Perowskit)



75 % Wassereis, 22 % Si, 3 % Fe

45 % Wassereis, 48,5 % Si, 6,5 % Fe

25 % Wassereis, 52,5 % Si, 22,5 % Fe

67,5 % Si, 32,5 % Fe (erdähnlich)

30 % Si, 70 % Fe (merkurähnlich)

Grenzdichte aus Modell 

zur Planetenentstehung

3

2



1

0

2



4

6

8



10

12

2,5



0,5

1,5


F. F

ressin / SuW



-Gr

afik


durch Vergleich der Zustandsgrößen radius

und Masse verschiedener exoplaneten lässt

sich auf deren Zusammensetzung schlie-

ßen. die farbigen linien geben unterschied-

liche Modellzusammensetzungen an, wobei

die türkise linie dem irdischen chemismus

entspricht. die planeten Kepler 20 f und

20 e stimmen im Bereich ihrer Massen- und

Größenangaben mit erde und Venus

überein. Sie überlappen zudem mit der

Modelllinie mit erdtrend, was auf eine

ähnliche chemische Zusammensetzung

schließen lässt.

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