EXTRASOLARE PLANETEN
Zwei Wasserwelten um Kepler-138
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
23. November 2022

Um den Stern Kepler-138 kreisen zwei Planeten, bei denen es sich um Ozeanplaneten handeln dürfte - das ergab jetzt die Auswertung von Beobachtungen verschiedener Teleskope. Kepler-138 d ist danach von einem 2000 Kilometer tiefen globalen Wasserozean und einer flüchtigen Atmosphäre umgeben. Kepler-138 c dürfte ganz ähnlich aussehen.

Künstlerische Darstellung des Planetensystems um Kepler-138, im Vordergrund der Planet Kepler-138 d. Bild: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)   [Großansicht]

Bisher wurden extrasolare Planeten, die weniger als 1,7 Erdradien haben, entweder zu den Gesteinsplaneten gezählt oder zu den Mini-Neptunen, also zu Planeten, die ihre ursprünglichen – im Fachjargon als "primordial" bezeichneten – Wasserstoffgashüllen nicht verloren haben. Gesteinsplaneten umkreisen ihr Zentralgestirn meist auf sehr engen Umlaufbahnen, sodass sie ihre Atmosphären durch den Einfluss der stellaren Strahlung im Laufe der Zeit verlieren. Wasserstoffreiche Mini-Neptune hingegen reicherten bei ihrer Entstehung so viel Wasserstoffgas an, dass sie es – wie auch die großen Gasplaneten im äußeren Sonnensystem – nicht mehr in den Weltraum verlieren konnten. Dasselbe gilt für Hycean-Planeten, hypothetische Himmelskörper, die von einem heißen Wasserozean und einer entsprechend sehr wasserstoffreichen Atmosphäre umgeben sind.

Im Jahr 2014 wurden erstmals drei Planeten entdeckt, die den Roten Zwergstern Kepler 138 umkreisen. Nun haben Forscherinnen und Forscher in diesem Planetensystem eine überraschende Entdeckung gemacht. Mithilfe der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer wurden mehrere Planetentransits beobachtet, die durch 28 Radialgeschwindigkeits-Messungen mit dem Keck-Observatorium auf Hawaii ergänzt wurden. Numerischen Simulationen von Daria Kubyshkina vom Grazer Institut für Weltraumforschung (IWF)zufolge sollte jede hypothetische Wasserstoffgashülle um Kepler-138 d, einen der drei Planeten, innerhalb von zehn Millionen Jahren in den Weltraum verloren gegangen sein.

Auf Grund seines wesentlich höheren Alters von ein bis 2,7 Milliarden Jahren kann der Planet deshalb kein Mini-Neptun oder Hycean-Planet sein. Flüssiges Wasser konnte durch diese Beobachtungen bei Kepler-138 d nicht direkt nachgewiesen werden. Erst durch den Vergleich der Größe und Masse des Planeten mit Modellen kommen die Astronominnen und Astronomen zu dem Schluss, dass ein erheblicher Teil seines Volumens – bis zur Hälfte – aus Materialien bestehen sollte, die leichter als Gestein, aber schwerer als Wasserstoff oder Helium sind. Das häufigste dieser möglichen Materialien ist Wasser.

"Gekoppelte Modellierungen des Planeteninneren und der Atmosphärenstruktur, die mit den aufwendigen Beobachtungen übereinstimmen, ergaben, dass der erdähnliche Gesteinskern von Kepler-138 d sehr wahrscheinlich von einem 2000 Kilometer tiefen Wasserozean und einer flüchtigen Atmosphäre umgeben ist", schildert Luca Fossati, IWF-Gruppenleiter und an der Studie beteiligt. "Der Ozean ist also 500-mal tiefer als der durchschnittliche irdische Ozean. Die Gesamtzusammensetzung des Planeten ähnelt deshalb eher den Eismonden des Jupiters in unserem Sonnensystem", so Fossati.

Eine Kombination aus Transitbeobachtungen und Radialgeschwindigkeitsmessungen zeigt auch, dass Kepler-138 c ein etwas wärmerer Zwilling von Kepler-138 d ist, also eine weitere Wasserwelt im selben System. Inzwischen vermutet man auch die Existenz eines vierten Planeten, Kepler-138 e, der sich am inneren Rand der bewohnbaren Zone befindet.

Sogenannte "Ozeanplaneten" wurden schon 2004 prognostiziert. Wie auch an der aktuellen Studie war IWF-Gruppenleiter Helmut Lammer bereits an der allerersten Untersuchung über diese damals noch hypothetischen Himmelskörper beteiligt. Kepler-138 d scheint nun der erste extrasolare Planet zu sein, auf den die Bezeichnung wirklich zutrifft. "Das wiederum wirft die Frage nach der möglichen Habitabilität des Planeten auf", ergänzt Lammer. Habitate der Klasse V, die Planeten mit großen Wasserschichten über einem felsigen Kern entsprechen, wurden 2013 von Lammer erstmals definiert. Die möglichen Lebensbedingungen bei solchen potentiellen Habitaten richten sich dabei nach den Extrembedingungen in der Tiefsee von Ozeanen auf der Erde.

"Bei Kepler-138 d hingegen handelt es sich jedoch um eine Unterklasse eines solchen Habitats," erklärt Lammer. "Aufgrund der riesigen Wassermenge bildet sich sehr wahrscheinlich Hochdruckeis oder sogar Wasser in einer anderen Phase, die bei hohem Druck auftritt, einer sogenannten überkritischen Flüssigkeit. Diese extremen Zustände blockieren den Kontakt zwischen dem Wasser an der Oberfläche und den Mineralien im darunterliegenden Gesteinskörper." Die Entstehung von Leben, wie wir es kennen, wird dadurch – laut derzeitigem Wissensstand – verhindert.

Über die Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.