Schattenblick →INFOPOOL →NATURWISSENSCHAFTEN → ASTRONOMIE

PLANET/453: Kepler 20 und KOI-961 (Sterne und Weltraum)


Sterne und Weltraum 3/12 - März 2012
Zeitschrift für Astronomie

Kepler 20 und KOI-961
Zwei ungewöhnliche Sonnensysteme

Von Tilmann Althaus



Mit dem Weltraumteleskop Kepler gelang kürzlich der Nachweis von zwei Sternsystemen, in denen Planeten von Erdgröße vorkommen. Diese kreisen jedoch alle so nahe um ihr Zentralgestirn, dass sie für Leben zu heiß sind.

Seit Mai 2009 hält das Weltraumteleskop Kepler eine Region im Grenzbereich der Sternbilder Schwan und Leier unter ständiger Beobachtung und registriert dabei jede halbe Stunde die Helligkeiten von mehr als 156.000 Sternen. Die Hauptaufgabe von Kepler ist die Suche nach Exoplaneten um fremde Sterne, die bei jedem Umlauf von uns aus gesehen vor ihrem Zentralgestirn vorüberziehen und dabei dessen Licht periodisch geringfügig abschwächen. Mittlerweile hat die Mission einen reichen Datenbestand erbracht. Aus dem Wust dieser Messwerte wurden bislang 2326 Exoplaneten-Kandidaten ermittelt, so genannte »Kuiper objects of interest« (KOI), die nun weitergehender Bearbeitung sowie der Bestätigung mittels anderer Messverfahren und Instrumente bedürfen.

Bei der Bearbeitung identifizierten zwei Forscherteams um François Fressin vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Massachusetts und Thomas N. Gautier vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien insgesamt fünf Planeten, die den sonnenähnlichen Stern Kepler 20 umkreisen. Das System ist sehr klein, denn alle Planeten umrunden den Zentralstern in geringerem Abstand als Merkur unsere Sonne (siehe Grafik).

Drei von ihnen, die Begleiter 20b, 20c und 20d, sind wahrscheinlich Gasplaneten mit etwas geringeren Durchmessern als Uranus und Neptun in unserem Sonnensystem. Dagegen sind die Himmelskörper 20e und 20f mit dem 0,86-fachen beziehungsweise 1,03-fachen Erddurchmesser offenbar erdähnliche Welten aus Gestein und metallischem Eisen (siehe Grafiken oben). Sie sind etwa so groß wie Venus und Erde und unterbieten den bisherigen Rekord an Erdähnlichkeit von Kepler 10b mit 1,4-facher Erdgröße recht deutlich.

Der Rekord vom Dezember 2011 hatte nicht lange Bestand, denn schon im Januar präsentierte ein Forscherteam um Philip S. Muirhead vom California Institute of Technology das äußerst kompakte System KOI-961, dessen drei Planeten allesamt kleiner als Venus und Erde sind (siehe die Grafik).

Das Außergewöhnliche am Planetensystem von Kepler 20 ist die wechselnde Abfolge von Gasplaneten mit felsigen Planeten, das heißt, jeder Felsplanet hat einen oder zwei Gasplaneten als unmittelbare Nachbarn (siehe Bild auf S. 50 unten). Das Zentralgestirn ist ein sonnenähnlicher Stern mit der 0,9-fachen Masse und dem 0,94-fachen Durchmesser unserer Sonne und gehört zum Spektraltyp G8. Er ist damit etwas kühler und leuchtschwächer als unser Tagesgestirn und steht rund 950‍ ‍Lichtjahre von uns entfernt. Sein Spektrum weist auf ein Alter von rund 8,8 Milliarden Jahren hin; er ist somit deutlich älter als unsere Sonne mit 4,5 Milliarden Jahren.


Die Trabanten von Kepler 20

Alle Begleiter von Kepler 20 zeigen charakteristische Eigenschaften, und keiner von ihnen gleicht völlig dem anderen. Der innerste Planet Kepler 20b umrundet das Zentralgestirn in 3,7 Tagen in einem mittleren Abstand von nur 0,045 Astronomischen Einheiten (eine Astronomische Einheit, AE, ist der mittlere Abstand von der Erde zur Sonne und beträgt 149,6 Millionen Kilometer). Dieser Himmelskörper hat einen Durchmesser von rund 24.000 Kilometern (1,9-facher Erddurchmesser) und die 8,7-fache Erdmasse. Seine mittlere Dichte liegt bei 6,5 Gramm pro Kubikzentimeter und ist damit etwas höher als diejenige der Erde mit 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter. Die Oberflächentemperatur beträgt wegen der großen Sonnennähe rund 740 Grad Celsius, hier wären Metalle wie Zinn, Aluminium oder Blei bereits lange flüssig.

Auf ihn folgt nach außen Kepler 20e (die Planeten tragen ihre Kennbuchstaben in der Reihenfolge ihrer Beschreibung durch die Entdecker). Mit einem Durchmesser von 11.000 Kilometern ist er kleiner als Venus (12.100 Kilometer, siehe Grafik). Er umrundet sein Zentralgestirn in 6,1 Tagen in einem Abstand von 0,05 AE. Seine Masse ist bislang nur ungenau bekannt. Sie beträgt nach den theoretischen Überlegungen des Forscherteams um François Fressin zwischen dem 0,4-Fachen und dem 1,7-Fachen der Erdmasse, wobei ein Wert von rund einer Erdmasse am wahrscheinlichsten ist. Die Oberflächentemperatur beträgt um 700 Grad Celsius; lebensfreundlich sieht anders aus.

Kepler 20c benötigt 10,9 Tage für einen Umlauf in einer mittleren Entfernung von 0,09 AE. Mit einem Durchmesser von 39 Kilometern ist er der größte Planet dieses Systems. Er enthält 16 Erdmassen und liegt damit zwischen den Massen von Uranus (14,5 Erdmassen) und Neptun (17 Erdmassen). Seine mittlere Dichte von nur 2,9 Gramm pro Kubikzentimeter weist darauf hin, dass dieser Himmelskörper wohl zu einem großen Teil aus flüchtigen Stoffen wie Wasserstoff, Helium, Wasser, Methan und Ammoniak besteht. Er hat eine Oberflächentemperatur von rund 440 Grad Celsius.

Kepler 20f ist wiederum ein Felsplanet, der für eine Umkreisung 19,6 Tage benötigt und dabei 0,11 AE von seinem Stern entfernt ist. Mit einem Durchmesser von 13.100 Kilometern ist er ungefähr gleich groß wie die Erde. Aber mit einer Oberflächentemperatur von 430 Grad Celsius ist auch er für Leben, wie wir es kennen, absolut ungeeignet. Seine Masse ist wie bei Kepler 20e nur ungenau bestimmt; das Forscherteam um Fressin grenzt den Bereich zwischen der 0,7-fachen und der dreifachen Erdmasse ein.

Den Abschluss des Systems nach außen bildet schließlich Kepler 20d, der 77,6 Tage für einen Umlauf benötigt. Bei ihm dürfte es sich wie bei Kepler 20c um einen neptunähnlichen Gasplaneten handeln, für dessen Masse die Forscher eine Obergrenze von 20 Erdmassen angeben. Auch er enthält einen großen Anteil an leichtflüchtigen Stoffen. Er umrundet sein Zentralgestirn in einem mittleren Abstand von 0,35 AE und ist an seiner Oberfläche rund 100 Grad Celsius heiß.


Ein rätselhaftes System

Das Auftreten von Gasplaneten und Felsplaneten im gleichen Raumbereich um einen Stern stellt die bisherigen Theorien der Planetenforscher auf den Prüfstand. Bislang gehen sie davon aus, dass Felsplaneten und Gasriesen in einer den Stern umgebenden Scheibe aus Gas und Staub entstehen. Sie bilden sich dabei in Regionen, die unterschiedlich weit von ihrem Zentralgestirn entfernt sind. Felsplaneten, die überwiegend aus hoch schmelzenden Silikatgesteinen und metallischem Eisen aufgebaut sind, sollten sich in geringem Abstand zum Mutterstern zusammenballen, wo dessen Wärmestrahlung das Ansammeln von Gasen und leichtflüchtigen Stoffen wie Wasser, Methan oder Kohlendioxid verhindert.

In größerem Abstand, wo sich letztere Stoffe als Festkörper niederschlagen können, sollten sich dagegen die Gasriesen bilden. Die Trennlinie zwischen den Entstehungsregionen der felsigen Planeten und der Gasplaneten wird auch als »Schneegrenze« bezeichnet. Den gängigen Theorien zufolge entsteht zunächst ein massereicher, fester Kern. Dieser Planetenembryo zieht bei Überschreiten einer kritischen Masse mit seiner Schwerkraft die Gase des solaren Urnebels, insbesondere auch Wasserstoff und Helium, aus seiner näheren Umgebung an sich und wächst dann rasant. Somit ähneln die chemischen Zusammensetzungen der Gasplaneten eher derjenigen ihres Zentralgestirns.

Bei den seit rund 17 Jahren bekannten »heißen Jupitern«, also Gasplaneten, die ihren Stern in äußerst geringem Abstand umrunden, nehmen die Astronomen an, dass sie sich zunächst wesentlich weiter entfernt bilden. Erst später kommt es durch gravitative Wechselwirkungen mit den Gas- und Staubmassen der Scheibe und/oder mit weiteren Planeten zu einer Wanderung der jungen Gasriesen in Richtung Zentrum, zu einer Migration. Manche der Gasriesen stürzen schließlich in ihre Sonne, andere dagegen ziehen ihre Runden knapp über deren glühender Oberfläche.

Aber wie lässt sich der besondere Aufbau des Systems Kepler 20 erklären? Die Entdecker der drei massereichen Planeten gehen darauf in ihrer beim »Astrophysical Journal« eingereichten Arbeit ein. Sie nehmen an, dass insbesondere die Planeten Kepler 20c und 20d große Mengen an leichtflüchtigen Stoffen enthalten. Dabei sollte vor allem Wassereis den Hauptanteil ihrer Masse ausmachen. Aber auch mit einer dichten, überwiegend aus Wasserstoff und Helium bestehenden Gashülle, die etwa ein Prozent der Planetenmasse enthält und einen erdähnlichen Kern aus Silikatgesteinen und metallischem Eisen umschließt, ließen sich die beobachteten Eigenschaften der beiden Planeten erklären. Schwieriger ist der innerste Trabant Kepler 20b einzustufen. Er ist möglicherweise eine erdähnliche Welt mit fester Oberfläche, vielleicht aber auch von einer bedeutenden Gashülle umgeben.

Da sich alle Planeten von Kepler 20 dicht an ihrem Zentralgestirn befinden, könnten durch die eingestrahlte Wärme größere Anteile ihrer Atmosphären ins All entwichen sein. Dies gilt insbesondere für Gashüllen aus den leichten Gasen Wasserstoff und Helium. Für Kepler 20b berechnen die Forscher in diesem Fall einen Massenverlust von immerhin 0,02 Erdmassen pro Milliarde Jahre. Für die Planeten Kepler 20c und 20d ermittelten sie Verlustraten von 0,01 beziehungsweise 0,0004 Erdmassen pro Milliarde Jahre. Die Forscher vermuten, dass die Verlustraten in der Jugend von Kepler 20 beträchtlich höher lagen, als der Stern noch weit aktiver war. Interessant ist, dass der innerste und damit auch heißeste Planet die höchste Dichte aller Trabanten in diesem System aufweist.

Für die beiden erdgroßen Welten Kepler 20e und 20f vermuten die Forscher, dass sie aufgrund der thermischen Belastung durch ihren Mutterstern und ihre relativ geringe Schwerkraft keine massereichen Gashüllen festhalten konnten. Aber für die Wechselfolge von Welten mit großen Anteilen an flüchtigen Substanzen und Gesteinsplaneten ohne bedeutende Atmosphären können die Wissenschaftler um Thomas Gautier noch keinen theoretischen Ansatz anbieten.


KOI-961: Ein Minisonnensystem

Weniger rätselhaft, aber dafür kurios mutet die Entdeckung der Astronomen um Philip S. Muirhead an. Sie stießen in den Daten von Kepler auf ein winziges Sternsystem mit drei Planeten, die einen roten Zwergstern umrunden. Dabei ist das ganze Sonnensystem nur wenig größer als das Jupitersystem mit den vier großen Monden Io, Europa, Ganymed und Kallisto (siehe Grafik).

KOI-961 ist ein Stern der Spektralklasse M und weist nur 13 Prozent der Sonnenmasse auf. Er leuchtet mit lediglich einem Fünfhundertstel der solaren Leuchtkraft und ist 126 Lichtjahre von uns entfernt. Seine drei Planeten tragen die Bezeichnungen KOI-961.01, KOI-961.02 und KOI-961.03. Ihre Durchmesser betragen 78, 73 und 57 Prozent des Erddurchmessers (siehe auch Grafik auf S. 48 oben). Der kleinste von ihnen, KOI-961.03, misst nur 7300 Kilometer und ist somit nur etwas größer als der Rote Planet, Mars (6800 Kilometer).

Um mehr über die Begleiter und ihr Zentralgestirn herauszufinden, setzte das Forscherteam große erdgebundene Teleskope ein, darunter auch eines der beiden Zehn-Meter-Teleskope des Keck-Observatoriums auf dem Mauna Kea auf Hawaii. Da der Rote Zwerg recht weit entfernt von uns liegt, gestaltet es sich wegen seiner geringen Leuchtkraft schwierig, präzise Daten und Spektren von ihm aufzunehmen. Um ihn dennoch ausreichend genau zu charakterisieren, verglichen die Astronomen seine Daten mit denjenigen von Barnards Stern oder Gl 699, der nur sechs Lichtjahre von uns entfernt ist. Dieser befindet sich im Sternbild Schlangenträger und fiel im Jahr 1916 dem US-amerikanischen Astronomen Edward E. Barnard durch seine hohe Wandergeschwindigkeit gegenüber den Hintergrundsternen auf. Dies brachte ihm auch die Bezeichnung »Barnards Pfeilstern« ein.

Der Vergleich belegte, dass sich die spektralen Daten und Sternparameter von KOI-961 und Gl 699 zum Verwechseln ähneln, so dass die Forscher Barnards Pfeilstern als Modell für die weiteren Untersuchungen einsetzten. Es zeigte sich, dass der Rote Zwerg etwa ein sechstel Sonnendurchmesser erreicht und mit seinen 240.000 Kilometern nur etwa 70 Prozent größer als der Planet Jupiter ist. Sein innerster Begleiter KOI-961.02 umrundet ihn in einem Abstand von 0,006 AE (900 Kilometer) und benötigt dafür nur 10,9 Stunden. Ihm folgt nach außen KOI-961.01 in einem Abstand von 0,012 AE und einer Periode von 29‍ ‍Stunden. Den Abschluss bildet der marsgroße KOI-961.03 mit 0,015 AE und 45 Stunden für einen Umlauf. Alle Planeten befinden sich sehr dicht am Roten Zwerg und sind somit zu heiß für Leben, wie wir es kennen. Die Wissenschaftler geben Oberflächentemperaturen zwischen 450 und 180 Grad Celsius an.

KOI-961 ist der bislang masseärmste Stern im Blickfeld von Kepler, bei dem sich Planeten finden ließen. Die Wissenschaftler um Muirhead vermuten, dass bei M-Zwergen recht häufig Planeten vorkommen. Da aber Rote Zwerge die bei Weitem häufigsten Sterne in unserem Milchstraßensystem sind, könnte sich tatsächlich die Mehrzahl aller Planeten im Umlauf um leuchtschwache rote Sonnen befinden. Allerdings geht auch bei diesem Sterntyp die Suche nach einer echten zweiten Erde, die Leben tragen könnte, weiter.

Tilmann Althaus ist seit 2002 Redakteur bei »Sterne und Weltraum«. Er betreut vor allem Themen zur Planetenforschung und Raumfahrt.


Literaturhinweise

Fressin, F. et al.: Two Earth-Sized Planets Orbiting Kepler-20. In: Nature, advanced online publication, 10.1038/nature10780, 2011

Gautier, T. N. et al.: Kepler-20: A Sun-Like Star with Three Sub-Neptune Exoplanets and Two Earth-Size Candidates. arxiv: 1112.4514v1, 2011

Muirhead, P. S. et al.: Characterizing the Cool KOIs III. KOI-961: a Small Star with Large Proper Motion and Three Small Planets. arXiv:1201.2189v1, 2012


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 49 oben:
Die vom Weltraumteleskop Kepler gefundenen Planeten von nahezu Erdgröße in den Systemen Kepler 20 und KOI-961 ähneln den vier terrestrischen Planeten unseres Sonnensystems, Merkur, Mars, Venus und Erde in Größe und Beschaffenheit. KOI-961.03 ist der derzeit kleinste bekannte Exoplanet im Umlauf um einen normalen Stern.

Abb. S. 49 unten:
Die Bahnen der fünf Planeten des Systems Kepler 20 sind hier maßstabsgetreu zueinander eingezeichnet. Sie alle liegen innerhalb der zum Vergleich dargestellten Umlaufbahn des Planeten Merkur um die Sonne.

Abb. S. 50 oben:
Ein Vergleich des Planetensystems von KOI-961 mit dem Planeten Jupiter und dessen vier großen Monden verdeutlicht seine geringe Ausdehnung. Der äußerste Planet KOI-961.03 umkreist sein Zentralgestirn nur geringfügig weiter entfernt als der äußerste große Mond Kallisto den Jupiter.

Abb. S. 50 unten:
Rätselhaft: Im kompakten System Kepler 20 umkreisen Gas- und Felsplaneten in wechselnder Folge ihre Sonne, was die Theoretiker vor große Probleme stellt. Alle Planeten sind ihrem Stern näher als Merkur unserer Sonne.

Abb. S. 51:
Durch Vergleich der Zustandsgrößen Radius und Masse verschiedener Exoplaneten lässt sich auf deren Zusammensetzung schließen. Die farbigen Linien geben unterschiedliche Modellzusammensetzungen an, wobei die türkise Linie dem irdischen Chemismus entspricht. Die Planeten Kepler 20f und 20e stimmen im Bereich ihrer Massen- und Größenangaben mit Erde und Venus überein. Sie überlappen zudem mit der Modelllinie mit Erdtrend, was auf eine ähnliche chemische Zusammensetzung schließen lässt.


© 2012 Tilmann Althaus, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg

*

Quelle:
Sterne und Weltraum 3/12 - März 2012, Seite 48 - 51
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie),
Dr. Jakob Staude
Redaktion Sterne und Weltraum:
Max-Planck-Institut für Astronomie
Königstuhl 17, 69117 Heidelberg
Telefon: 06221/528 150, Fax: 06221/528 377
Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
Slevogtstraße 3-5, 69117 Heidelberg
Tel.: 06221/9126 600, Fax: 06221/9126 751
Internet: www.astronomie-heute.de
 
Sterne und Weltraum erscheint monatlich (12 Hefte pro Jahr).

Das Einzelheft kostet 7,90 Euro, das Abonnement 85,20 Euro pro Jahr.


veröffentlicht im Schattenblick zum 24. April 2012