Potenzgesetz bestimmt Exoplaneten-Statistik

Systematische Suche nach Planeten um sonnenähnliche Sterne liefert überraschende Resultate – Modelle der Planetenentstehung müssen überabeitet werden.

Die Frage, wie häufig Planeten unterschiedlicher Masse sind, ist eng mit der Theorie der Planetenentstehung verknüpft. Ein internationales Forscherteam hat nun mit der systematischen Untersuchung von 166 sonnenähnlichen Sternen zumindest einen Teil der Statistik der Exoplaneten auf eine solide Basis gestellt – und ist dabei zugleich auf einen überraschenden Befund gestoßen: Es gibt keineswegs, wie von den Modellen der Planetenentstehung vorhergesagt, ein Defizit an Planeten im Massenbereich von 5 bis 30 Erdmassen auf engen Bahnen mit Umlaufzeiten unter 50 Tagen. Ganz im Gegenteil: Diese Region des Parameterraums ist dicht bevölkert und impliziert damit eine notwendige Revision der Theorie.

Andrew Howard von der University of California in Berkeley und seine Kollegen aus den USA, China und Japan haben mit den Keck-Teleskopen auf Hawaii präzise Dopplermessungen den ausgewählten sonnenähnlichen Sternen vorgenommen. Exoplaneten verraten sich durch minimale Bewegungen der Sterne, denn physikalisch korrekt betrachtet kreisen Planeten nicht um ihren Zentralstern, sondern beide umlaufen ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Diese Bewegung des Sterns wiederum verrät sich als Dopplerverschiebung im Sternspektrum.

Das Verfahren der Forscher war so angelegt, dass es alle Planeten im Massenbereich von 3 bis 1000 Erdmassen auf engen Bahnen bis zu einer Umlaufzeit von 50 Tagen aufspüren sollte. Insgesamt haben Howard und seine Kollegen 33 Planeten bei 22 der untersuchten sonnenähnlichen Sterne entdeckt. Die Massenverteilung dieser Planeten lässt sich, so die Astrophysiker, sehr gut mit einem Potenzgesetz wiedergeben, Dieses Potenzgesetz liefert dann auch eine Vorhersage für die Häufigkeit erdähnlicher Planeten, die außerhalb der Empfindlichkeit der Untersuchung liegen: 23 Prozent der sonnenähnlichen Sterne sollten demnach einen Planeten mit einer Masse zwischen einer halben und zwei Erdmassen auf einer engen Umlaufbahn besitzen.

Wichtiger noch ist aber ein anderes Ergebnis der Untersuchung. Sie zeigt nämlich, dass es keinen Einbruch der Verteilung im Bereich von so genannten Super-Erden bis zu neptunähnlichen Planeten gibt, wie es die Forscher zuvor auf Basis von Modellen der Planetenentstehung erwartet hatten.

Stattdessen zeigt sich in den Daten eine unerwartet geringe Anzahl von Planeten im Massenbereich von 10 bis 100 Erdmassen mit Umlaufzeiten kleiner als 20 Tagen, sowie ein Überhäufigkeit von Planeten mit Massen zwischen 4 und 10 Erdmassen und Umlaufzeiten länger als 10 Tagen. "Die Verteilung der Planeten im Masse-Umlaufzeit-Diagramm erlaubt wichtige Rückschlüsse auf die Entstehung und Migration der Planeten", erläutern die Forscher dazu. "Das beobachtete Muster deutet darauf hin, dass es unterschiedliche Entstehungs- und Migrationsmechanismen für Planeten mit kleiner und Planeten mit großer Masse gibt."

Abschließend betonen Howard und seine Kollegen, dass die Kepler-Mission, die gegenwärtig mit dem Transit-Verfahren bei 156.000 Sternen nach Planeten sucht, eine unabhängige Möglichkeit bietet, die Vorhersage des Potenzgesetzes für die Verteilung der Planeten um sonnenähnliche Sterne zu überprüfen. Die Forscher erwarten aufgrund ihrer Statistik, dass Kepler insgesamt 120 bis 260 erdähnliche Planeten bei sonnenähnlichen Sternen aufspürt.

Rainer Kayser

KK