Diese Skizze illustriert einen Stammbaum von Exoplaneten. Planeten werden aus protoplanetaren Scheiben, die aus Gas und Staub bestehen, geboren. Es entstehen riesige Planeten wie Jupiter sowie kleinere Planeten, meist in den Größen zwischen Erde und Neptun. Forscher, die Daten vom W.M. Keck-Observatorium und der Kepler-Mission verwendeten, entdeckten, dass die kleineren Planeten klar in zwei Größengruppen aufgeteilt werden können: In die erdähnlichen Gesteinsplaneten und Super-Erden und in die mit Gas umhüllten Mini-Neptun-Welten.
Ein "Stammbaum" für Exoplaneten
Forscher klassifizierten die Exoplaneten auf die gleiche Weise, wie die Biologen neue Tierarten klassifizieren.
Mitte der Neunzigerjahre Jahre wurde der erste Planet um einen anderen sonnenähnlichen Stern entdeckt. Seither haben Astronomen eine große Sammlung an Exoplaneten angehäuft – fast 3.500 wurden bisher bestätigt. In einer neuen, von Caltech durchgeführten Studie, haben Forscher diese Planeten auf die gleiche Weise klassifiziert, wie Biologen neue Tierarten identifizieren und lernten daraus, dass die Mehrheit der gefundenen Exoplaneten in zwei verschiedene Größenklassen fallen: erdähnliche Gesteinsplaneten und größere Mini-Neptuns. Das Team verwendete Daten von der Kepler-Mission und vom W. M. Keck Observatorium.
„Das ist eine große Neuaufteilung im Familienstammbaum der Planeten, analog zur Entdeckung, dass Säugetiere und Eidechsen deutliche Zweige am Baum des Lebens sind“, sagte Andrew Howard, Professor für Astronomie am Caltech und Projektleiter der neuen Forschung. Der leitende Autor der neuen Studie, die im „Astronomical Journal“ veröffentlicht wurde, ist Benjamin J. (BJ) Fulton, ein Doktorand in Howards Gruppe, der seine Zeit zwischen Caltech und dem Institut für Astronomie auf der Universität von Hawaii teilte.
Im Wesentlichen zeigt ihre Forschung, dass unsere Galaxis eine starke Vorliebe für zwei Arten von Planeten hat: Gesteinsplaneten bis zu 1,75-fachen der Größe der Erde und Gas umhüllte Mini-Neptun-Welten, die 2 bis 3,5 mal die Größe der Erde haben (oder etwas kleiner als Neptun sind). Unsere Galaxie bringt selten Planeten mit Größen zwischen diesen beiden Gruppen hervor.
Seit die Kepler-Mission im Jahr 2009 startete, hat sie mehr als 2.300 Exoplaneten identifiziert und bestätigt. Kepler ist spezialisiert auf die Suche nach Planeten in der Nähe ihrer Sterne, so dass die Mehrheit dieser Planeten ihren Mutterstern enger umkreisen als Merkur die Sonne. Die meisten dieser nahen Planeten haben Größen, die zwischen der Erde und Neptun liegen; sie haben etwa die vierfache Größe der Erde. Aber jetzt wurden Planeten gefunden die eine Vielzahl an Größen haben die diesen Bereich überspannen, so dass sie in zwei Größengruppen eingeteilt werden können.
„Im Sonnensystem gibt es keine Planeten mit Größen zwischen Erde und Neptun“, sagte Erik Petigura, Co-Autor der Studie und ein Hubble Postdoktorand bei Caltech. „Eine der großen Überraschungen von Kepler ist, dass fast jeder Stern mindestens einen Planeten hat, der größer als die Erde ist, aber kleiner als Neptun. Wir würden gerne wissen, wie diese geheimnisvollen Planeten so sind und warum wir sie nicht in unserem eigenen Sonnensystem haben.“
Kepler findet Planeten, indem sie die Abschwächung des Sternenlichts misst, wenn ein Planet vor dem Stern vorüberzieht. Das Maß der Licht-Abschwächung korreliert mit der Größe eines Planeten. Aber um die Planetengrößen genau zu kennen, müssen die Größen der Sterne bekannt sein.
Das Caltech-Team – zusammen mit Kollegen aus verschiedenen Institutionen, darunter UC Berkely, Universität von Hawaii, die Harvard Universität, Princeton Universität und die Universität von Montreal – haben mit Hilfe des Keck-Observatorium einen genaueren Blick auf die Größe der Kepler-Planeten geworfen. Sie verbrachten Jahre damit, spektrale Daten von jenen 2000 Sternen zu bekommen, die Kepler-Planeten beherbergen. Die spektralen Daten ermöglichte es den Forschern, präzise Messungen über die Größe der Kepler-Sterne zu erhalten. Diese Messungen erlaubte es den Forschern, die Größen für jene Planeten genauer zu bestimmen, die diese Sterne umkreisen.
„Die Sortierung der Planeten nach Größe ist wie der Versuch, Sandkörner mit bloßem Auge zu sortieren“, sagte Fulton. „Die Spektren vom Keck-Teleskop zu bekommen, war wie das Greifen nach einer Lupe. Wir konnten Details erkennen, die wir vorher nicht sehen konnten.“
Mit den neuen Daten vom Keck-Teleskop konnten die Forscher die Größen der 2.000 Planeten mit viermal größerer Präzision messen als vorher. Als sie die Verteilung der Planetengrößen untersuchten, fanden sie zu ihrer Überraschung eine markante Kluft zwischen den Gruppen der Gesteinsplaneten und der Mini-Neptun-Welten. Es gibt zwar ein paar Planeten die in diese Lücke fallen, aber die Mehrheit tut dies nicht.
Die Ursache für die Lücke ist noch unklar, aber die Wissenschaftler haben zwei mögliche Erklärungen gefunden. Die erste beruht auf der Idee, dass die Natur gerne viele Planeten in etwa der Größe der Erde macht. Einige dieser Planeten, aus Gründen die nicht vollständig verstanden werden, sammeln genug Gas auf „springen über in diese Lücke“ und werden gasförmige Mini-Neptune.
„Schon eine kleine Menge an Wasserstoff und Helium-Gas hat eine große Wirkung. Wenn ein Planet zu seiner Masse nur ein Prozent an Wasserstoff und Helium-Gas dazu erhält, reicht das aus, um die Lücke zu überspringen“, sagte Howard. „Diese Planeten sind wie Felsen mit einem großen Ballon aus Gas um sie herum. Der Wasserstoff und das Helium im Ballon trägt nicht wirklich zur Masse des Systems als Ganzes bei, aber sehr wohl zum Volumen des Planeten und macht ihn viel größer.“
Der zweite mögliche Grund, warum Planeten nicht in der Lücke landen, hat mit Planeten zu tun, die Gas verlieren. Wenn es einem Planeten gelingt, ein klein wenig Gas zu erwerben – die richtige Menge, um in der Lücke zu landen – und dieses Gas wird durch die Strahlung seines Muttersterns zerstört, dann würde er wahrscheinlich die Lücke wieder verlassen.
„Es ist aber unwahrscheinlich, dass ein Planet genau die richtige Menge an Gas hat, um in der Lücke zu landen. Und jene Planeten, die genug Gas haben, könnten ihre dünnen Atmosphären weggeblasen werden. Bei beiden Szenarien entsteht die Lücke in den Planetengrößen die wir beobachten.
In Zukunft planen die Forscher, den Anteil an schweren Elementen in diesen Planeten zu studieren, um mehr über ihre Zusammensetzung zu erfahren. „Wir leben im goldenen Zeitalter der Planeten-Astronomie, weil wir Tausende von Planeten um andere Sterne finden“, sagte Petiguar. „Wir arbeiten derzeit daran zu verstehen, wie diese Mini-Neptun-Welten entstanden sind. Dies soll uns helfen zu verstehen, warum sich diese Planeten so leicht um andere Sterne aber nicht um unsere Sonne bildeten.“
21. Juni 2017/SP
Verein Kuffner-Sternwarte
