Erster Exo-Mars aufgespürt

Bereits rund 4600 Planeten-Kandidaten hat das Weltraum­teleskop Kepler ausfindig gemacht. Darunter befinden sich ungefähr 500 mögliche Exo­planeten mit einem Radius kleiner als der unserer Erde. Bislang ließen sich rund tausend der Kandi­daten als echte Planeten identifizieren. Dieser Schatz an Informa­tionen hat das Bild von der Entstehung und Verteilung von Planeten in der Milch­straße in den letzten Jahren gründlich revidiert. Doch für den heiligen Gral der Planeten­suche, das Auffinden eines lebens­freundlichen Exo­planeten – womöglich einer Art zweiter Erde mit Bio­signa­turen in der Atmosphäre –, sind noch viele Fragen offen.

Denn gerade bei den kleineren, erdähnlichen Exoplaneten ist es schwierig, die Masse und damit die Dichte und mögliche Zusammensetzung zu ermitteln. Da Kepler nach Planeten­transits sucht, kann das Weltraum­teleskop im Prinzip aus der Verdunkelung eines Sterns nur die Größe und Umlaufperiode der Planeten bestimmen. Um Hinweise auf Masse und Dichte eines Exoplaneten zu erhalten, sind jedoch weitere Parameter nötig, um die Unbekannten in den astrono­mischen Gleichungen bestimmen zu können.

Eine Standardmethode, die sich bei größeren Planeten bewährt hat, liegt darin, die Rückwirkung des Exoplaneten auf seinen Heimatstern genau zu beobachten und aus einem Taumeln des Sterns auf die Masse der beiden Himmelskörper zu schließen. Kleinere Planeten von ungefähr Erdgröße oder noch kleiner besitzen jedoch nicht ausreichend Zugkraft, um eine messbare Wirkung auf ihren Stern auszuüben. Statt­dessen bietet es sich an, die Wechselwirkungen zwischen mehreren Exoplaneten eines Sterns zu verwerten, die sich gegenseitig in ihren Orbits beeinflussen. Genau dies hat sich ein Team von Astronomen der Pennsylvania State University und weiterer amerika­nischer Institute nun zunutze gemacht. Daniel Jontof-Hutter und seine Kollegen haben die drei Planeten des Sterns Kepler-138 genau vermessen, der sich im Sternbild Leier in ungefähr zwei­hundert Licht­jahren Entfer­nung von der Erde befindet.

Der kleinste und innerste der drei Planeten, Kepler-138b, umkreist den Stern mit einer kurzen Periode von nur 10,3 Tagen. Die beiden anderen Planeten, Kepler-138c und Kepler-138d, haben nur ein geringfügig längeres „Jahr“ von 13,8 und 23,1 Tagen. Verglichen mit unserem Sonnensystem liegen all diese Exoplaneten damit innerhalb der Merkurbahn. Obwohl es sich bei Kepler-138 zwar um einen roten Zwerg mit nur ungefähr halber Sonnen­masse handelt, dürften auf all diesen Planeten also sehr hohe Tempera­turen herrschen. Das macht die Bestimmung der Planeten­massen und -dichten doppelt interessant: Denn aufgrund der gegenseitigen Nähe ist nicht nur der Effekt groß genug, um eine solche Bestimmung zuzulassen. Zudem kann die Dichte Aufschluss über die Entste­hungs­orte im Sternsystem geben, denn zu nahe an der Sonne sollten sich keine Planeten mit großen Mengen an leichten Substanzen bilden können.

Die Planeten Kepler-138b und Kepler-138c befinden sich hinsichtlich ihrer Umlauf­periode in einer 4:3-Resonanz, Kepler-138c und Kepler-138d in einer 5:3-Resonanz. Durch die wechsel­seitige gravitative Beein­flus­sung der Planeten sind ihre Perioden jedoch nicht immer gleich lang, sondern unter­liegen leichten Schwan­kungen. Das erlaubte den Forschern, die Massen und Dichten aller drei Planeten zu ermitteln. Die beiden äußeren Planeten sind ungefähr ungefähr so groß wie die Erde, ihre Dichte unterscheidet sich jedoch stark. Während Kepler-138c mit etwa 6,2 Gramm pro Kubikzentimeter ähnlich dicht ist wie die Erde, zeigt Kepler-138d eine nicht einmal halb so große Dichte. Er muss trotz seiner geringen Größe also zu einem guten Teil aus leichten Kompo­nenten wie Wasser und Wasser­stoff bestehen.

Die größte Überraschung barg jedoch der innerste und kleinste Planet, Kepler-138b: Seine Masse beträgt nur 6,7 Prozent der Erdmasse, was auf eine Dichte von 2,6 Gramm pro Kubik­zenti­meter schließen lässt. Außerdem ist Kepler-138b kleiner als die Erde. Sowohl von der Größe als auch von der Dichte her entspricht er ungefähr dem Mars. Damit ist Kepler-138b der erste derart kleine Planet, bei dem eine Massen­bestimmung möglich war. Es sind zwar auch kleinere Exoplaneten bekannt; so etwa Kepler-37b, der noch kleiner als Merkur ist und ungefähr die Größe des Erdmondes besitzt. Von Kepler-37b gibt es allerdings keine Bestimmung der Masse und folglich auch nicht der Dichte.

Die Fehler bei all diesen Messungen sind jedoch noch recht hoch und werden sich erst mit künftigen auf die Exo­planeten­jagd speziali­sierten Weltraum­teleskopen wie dem Transiting Exoplanet Survey Satellite TESS oder dem „Planetary Transits and Oscillation of stars“-Experiment PLATO deutlich reduzieren lassen. So liegt der Massebereich von Kepler-138b bei einer 95-prozen­tigen Konfidenz zwischen 0,011 und 0,17 Erdmassen.

Die geringe Dichte scheint jedenfalls darauf hinzuweisen, dass sich Kepler-138b und vielleicht auch die anderen beiden Planeten nicht in Sonnen­­nähe, sondern weiter außerhalb gebildet haben, wo die Konzen­tration leichter Elemente in der proto­planetaren Scheibe größer war als in Stern­nähe. Anschließend müssten sie in die Nähe ihres Sterns migriert sein. Das wäre zudem der erste Hinweis auf eine so starke Migration eines kleinen Exoplaneten.

Dirk Eidemüller

OD