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EXTRASOLARE PLANETEN
Von Supererden und Mini-Neptunen
Redaktion / Pressemitteilung des Universität -Instituts für Astrophysik Potsdam
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18. Oktober 2018

Wissenschaftler haben jetzt die Zusammensetzung und Struktur von weit entfernten Exoplaneten samt ihren Atmosphären mit statistischen Methoden analysiert. Die Studie liefert Daten darüber, ob ein ferner Himmelskörper erdähnlich ist, aus reinem Gestein oder aus einer Welt aus Wasser besteht. Je größer der Planet ist, desto mehr Wasserstoff und Helium umgibt ihn offenbar.

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Model von einer möglichen Struktur eines Exoplaneten mit einem Kern aus Gestein und einer Atmosphäre aus Gas. Bild: Universität Zürich

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So könnte ein Exoplanet mit einem Kern aus Gestein und einer Atmosphäre aus Gas ebenfalls aussehen. Bild: Universität Zürich

Gibt es eine zweite Erde im All? Das Wissen über unser Planetensystem steigt ständig, neue Technologien ermöglichen einen immer genaueren Blick ins Weltall: Bis heute hat man bereits 3700 Himmelskörper außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Aus den planetarischen Massen und Radien dieser Exoplaneten kann man auf deren mittlere Dichte schließen. Woraus jedoch ihre Struktur besteht und wie sie chemisch zusammengesetzt sind, ist weiterhin unklar – und damit auch die faszinierende Frage, wie diese Planeten aussehen könnten.

"Theoretisch sind verschiedene Szenarien denkbar: zum Beispiel eine Welt aus reinem Wasser oder reinem Gestein oder Planeten mit einer Wasserstoff-Helium-Atmosphäre, von denen wir den wahrscheinlichen Radius erkunden können", erklärt Michael Lozovsky. Der Doktorand arbeitet in der Gruppe von Prof. Ravit Helled am Institut für Computational Science der Universität Zürich.

Das Forscherteam hat nun mithilfe von Datenbanken und statistischer Verfahren Exoplaneten mit ihrer Atmosphäre untersucht. Diese sind ziemlich häufig und sind von einer volatilen Wasserstoff-Helium-Hülle umgeben. Allerdings erlaubten die bisher direkt gemessenen Daten keine Rückschlüsse auf ihre eindeutige Struktur, denn unterschiedliche Zusammensetzungen der Materie können zu derselben Masse und demselben Radius führen.

Folglich ging das Forscherteam neben der Genauigkeit der Daten auch der angenommenen inneren Struktur, der planetarischen Temperatur und der Reflexionsstrahlung der Himmelskörper nach. Auf diese Weise untersuchten sie 83 der insgesamt 3700 bekannten Himmelskörper, deren Massen und Radien bereits klar definiert sind. "Wir konnten erstmals statistisch nachweisen, dass es für die sehr häufig vorkommenden Exoplaneten mit einer volatilen Atmosphäre statistische Schwellenwerte gibt, die auf ihre Zusammensetzung hinweisen. Es gibt also einen Radius, oberhalb dessen keine Planeten mit der gleichen Struktur existieren", erklärt Lozovsky. Eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Schwellenradius spielen die Zahl der Elemente in der Gashülle, die schwerer als Helium sind, der Prozentsatz von Wasserstoff und Helium sowie die Verteilung der Elemente in der Atmosphäre.

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Das Team stellte zum Beispiel fest, dass Planeten mit einem Radius bis 1,4 mal grösser als derjenige der Erde (6371 Kilometer) eine ähnliche Struktur wie die terrestrischen Planeten aufweisen. Oberhalb dieses Schwellenwertes steigt der Anteil an Silikaten oder anderen leichteren Materialien. Die meisten Planeten mit einem Radius grösser als 1,6 Erdradien müssen neben einem felsigen Kern auch eine Wasser- oder eine Wasserstoff-Helium-Hülle aufweisen.

Ab 2,6 Erdradien besitzen die Planeten keine Wasserwelten mehr und haben möglicherweise eine Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium um sich herum. Planeten mit 4 Erdradien und grösser sind erwartungsgemäß sehr gasreich und bestehen – ähnlich wie Uranus und Neptun – aus mindestens 10% Wasserstoff und Helium.

Die Erkenntnisse dieser Studie ermöglichen es, mehr über die Entstehung und die Diversität dieser Planeten zu verstehen. Besonders interessant ist der Schwellenwert zwischen großen terrestrischen Planeten – sogenannten "Super-Erden" – und kleinen gasförmigen Planeten, die auch als "Mini-Neptune" bezeichnet werden. Dieser liegt gemäß den Forschenden bei 3 Erdradien. Unterhalb dieser Grenze könnte man also erdähnliche Planeten in den Weiten des Weltalls finden.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift The Astrophysical Journal erschienen ist.

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