Exoplaneten mit ähnlichen Dichten

Die sieben Exoplaneten beim Stern Trappist-1, die 2016 in einer Entfernung von etwa vierzig Lichtjahren von der Erde entdeckt wurden, bieten einen Einblick in die enorme Vielfalt der Planeten­systeme in unserem Universum. Wie das Jet Propulsion Laboratory JPL der Nasa berichtet, könnten die Planeten bemerkens­wert ähnliche Dichten haben. Forscher unter der Leitung von Simon Grimm von der Universität Bern lieferten 2018 die bis dahin genaueste Berechnung der Massen der sieben Planeten beim Stern Trappist-1. Diese Berechnungen hatten ergeben, dass die Planeten bei in etwa die Größe und Masse der Erde haben und ebenfalls Gesteins­planeten sind – im Gegensatz zu gas­dominierten Planeten, wie Jupiter und Saturn.

Die Planeten­familie wurde mit mehreren weltraum- und boden­gestützten Teleskopen untersucht. So lieferte beispielsweise das Spitzer-Weltraum­teleskop über 1000 Stunden gezielter Beobachtungen des Systems, bevor es im Januar 2020 außer Betrieb genommen wurde. „Die gezielten Beobachtungen erlaubten uns, Transit­daten einer viel längeren Zeitspanne zu verwenden als sie uns für die Berechnungen aus dem Jahr 2018 zur Verfügung standen. Mit den neuen Daten konnten wir die Massen- und Dichtebestimmung aller sieben Planeten verfeinern, und es stellte sich heraus, dass die abgeleiteten Dichten der Planeten noch ähnlicher sind, als wir zuvor erwartet hatten“, so Simon Grimm. Dieses Ergebnis zeige auch, wie wichtig es sei, solche exo­planetaren Systeme über mehrere Jahre zu beobachten. „Das Trappist-1-System ist faszinierend, weil wir etwas über die Vielfalt von Gesteins­planeten innerhalb eines einzigen Systems lernen können. Und wir können auch mehr über einen einzelnen Planeten erfahren, wenn wir seine Nachbarn studieren, also ist dieses System perfekt dafür“, sagt Caroline Dorn, Astrophysikerin an der Universität Zürich. 

In unserem eigenen Sonnen­system sind die Dichten der acht Planeten sehr unter­schiedlich. Die von Gas dominierten Riesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sind größer, aber viel weniger dicht als die vier Gesteins­planeten Erde, Venus, Mars und Merkur. Die sieben Trappist-1-Planeten hingegen haben alle eine ähnliche Dichte und Größe, wodurch sich das System deutlich von unserem unterscheidet. Dass die Planeten alle eine ähnliche Dichte haben, könnte bedeuten, dass sie alle ungefähr dieselbe Zusammen­setzung an Materialien enthalten wie Eisen, Sauerstoff, Magnesium und Silizium. Da die Planeten ungefähr acht Prozent weniger dicht sind als die Erde, ist davon auszugehen, dass sich ihre Zusammen­setzung von derjenigen unseres Heimat­planeten unterscheidet. Basierend auf dieser Schluss­folgerung stellten die Forscher eine Hypothese auf, welche Mischung von Bestandteilen den Trappist-1-Planeten diese spezifische Dichte verleihen könnte.

Das Team untersuchte unter anderem, ob die Oberfläche der Planeten mit Wasser bedeckt sein könnte, was die Gesamtdichte verändern würde. „Wir haben die Modelle der Universität Bern zum Innenleben von Planeten mit den Modellen der Planeten­atmosphäre, die wir an der Universität Genf entwickeln, kombiniert und konnten so den Wassergehalt der sieben Trappist-1-Planeten mit einer für diese Planeten­kategorie buchstäblich beispiel­losen Präzision bestimmen“, so Martin Turbet, Astro­physiker an der Universität Genf. Wenn die geringere Dichte durch das Vorkommen von Wasser erklärt werden könnte, müsste es etwa fünf Prozent der Gesamtmasse der äußeren vier Planeten ausmachen. Zum Vergleich: Wasser macht weniger als 0,1 Prozent der Gesamtmasse der Erde aus. „Unsere Modelle der inneren und atmo­sphärischen Struktur zeigen jedoch, dass die drei inneren Planeten des Trappist-1-Systems wahr­scheinlich wasserlos sind, und dass die vier äußeren Planeten nicht mehr als ein paar Prozent Wasser, möglicher­weise in flüssiger Form, auf ihren Ober­flächen haben“, so Turbet. Wie Eric Agol, Astrophysiker an der University of Washington, sagt, ist diese Erklärung auch wenig wahrscheinlich, weil es ein extremer Zufall wäre, wenn alle sieben Planeten exakt so viel Wasser enthalten, dass ihre Dichten so ähnlich sind.

Eine andere Möglichkeit, die geringere Dichte zu erklären, ist, dass die Trappist-1-Planeten eine ähnliche Zusammen­setzung wie die Erde haben, aber mit einem geringeren Anteil an Eisen – etwa 21 Prozent im Vergleich zu 32 Prozent auf der Erde. Alternativ könnte das Eisen in den Trappist-1-Planeten mit einem hohen Anteil an Sauerstoff durchsetzt sein, wodurch sich Eisenoxid oder Rost bildet. Der zusätzliche Sauerstoff würde die Dichte der Planeten verringern. Die Oberfläche des Mars erhält ihre rote Färbung durch Eisenoxid, aber wie seine drei irdischen Geschwister hat er einen Kern, der aus nicht oxidiertem Eisen besteht. Wäre die geringere Dichte der Trappist-1-Planeten aus­schließlich auf oxidiertes Eisen zurück­zuführen, dann müssten die Planeten durchweg rostig sein und könnten keine Eisenkerne haben.

Eric Agol erklärt: „Die geringere Dichte könnte auf eine Kombination der beiden Szenarien zurück­geführt werden – also, dass sie weniger Eisen als die Erde und etwas oxidiertes Eisen wie der der Mars enthalten.“ „Der Nachthimmel ist voller Planeten, und erst in den letzten dreißig Jahren konnten wir beginnen, ihre Geheim­nisse zu enträtseln – dies auch, um unter anderem die Bewohn­barkeit der Planeten zu bestimmen“, sagt Caroline Dorn.

U. Bern / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Agol et al.: Refining the transit timing and photometric analysis of TRAPPIST-1: Masses, radii, densities, dynamics, and ephemerides, Plan. Sc. J. 2,1 (2021); DOI: 10.3847/PSJ/abd022
• Astronomy Dept. and Virtual Planetary Laboratory, University of Washington, Seattle
• Institute for Computational Science, Universität Zürich
• Center for Space and Habitability CSH, Universität Bern