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
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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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