Der Zusammensetzung von Planeten auf der Spur

Bislang haben Astronomen bereits 3700 Planeten außerhalb des Sonnen­systems ent­deckt. Aus den Massen und Radien dieser Exo­planeten können die Forscher auf deren mitt­lere Dichte schließen. Ihre Struktur und ihre chemische Zusammen­setzung sind jedoch weiter­hin unklar. „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 von der Uni­ver­sität Zürich.

Gemeinsam mit Kollegen hat Lozovsky jetzt mithilfe von Daten­banken und statis­tischer Ver­fahren Exo­planeten mit Atmo­sphäre unter­sucht. Aller­dings erlaubten die bisher direkt gemes­senen Daten keine Rück­schlüsse auf ihre Struktur. Denn unter­schied­liche Zusammen­setzungen können zu der­selben Masse und dem­selben Radius führen. Das Forscher­team hat 83 Exo­planeten mit bekannten Massen und Radien untersucht und dabei auch Tempe­ratur und der Reflexions­strahlung der Himmels­körper sowie Annahmen über ihre Struktur berück­sichtigt.

„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.

Die Forscher stellten zum Beispiel fest, dass Planeten mit einem Radius bis zum 1,4-fachen Erd­radius eine ähn­liche Struktur wie die terres­trischen Planeten auf­weisen. Ober­halb dieses Schwellen­wertes steigt der Anteil an Sili­katen oder anderer leichter Materi­alien. Die meisten Planeten mit einem Radius grösser als 1,6 Erd­radien müssen neben einem felsigen Kern auch einen Wasser­ozean oder eine Wasser­stoff-Helium-Hülle aufweisen. Ab 2,6 Erd­radien gibt es keine Wasser­welten mehr und die Planeten haben möglicher­weise eine Atmo­sphäre aus Wasser­stoff und Helium. Planeten mit vier Erd­radien und größer sind erwar­tungs­gemäß gas­reich und bestehen – ähn­lich wie Uranus und Neptun – aus mindes­tens zehn Prozent Wasser­stoff und Helium.

Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es, die Entstehung und die Diver­sität von Planeten besser zu ver­stehen. Besonders intere­ssant ist der Schwellen­wert zwischen großen terres­trischen Planeten – den Super-Erden – und kleinen gas­förmigen Planeten, die auch als Mini-Neptune bezeichnet werden. Dieser liegt bei drei Erd­radien. Unter­halb dieser Grenze könnte man also erd­ähn­liche Planeten im weitesten Sinne finden.

U. Zürich / RK