Exoplaneten Felsige Begleiter junger Sterne

Bevor man in den neunziger Jahren die ersten Planeten bei anderen Sternen entdeckte, waren die Astronomen bei ihren Überlegungen zur Entstehung solcher Sternbegleiter allein auf die Objekte im Sonnensystem angewiesen. Mittlerweile sind fast 800 Exoplaneten bekannt, und weitere 1200 „Kandidaten“ warten darauf, als Planeten bestätigt zu werden. Diese große Zahl an bekannten Exoplaneten ermöglicht vermehrt auch die Verwendung statistischer Untersuchungen, um allgemeine Auffälligkeiten der Systeme zu erkennen und in die Modelle zur Planetenentstehung einzubinden. Auf diesem Wege gelang nun die überraschende Entdeckung, dass erdähnliche Gesteinsplaneten offenbar schon viel früher im Universum entstanden sein können als bislang angenommen. Damit sollte es in der Milchstraße auch wesentlich mehr Orte geben, an denen das Leben Fuß fassen konnte.

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Im Blick von Kepler

Die Untersuchungen, über die Forscher aus Dänemark, Schweden und den Vereinigten Staaten in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ (doi 10.1038/nature11121) berichten, stützen sich auf Daten des amerikanischen Weltraumteleskops Kepler, das seit 2009 nach Exoplaneten sucht und bislang mehr als 1200 Kandidaten entdeckt hat. Das Satellitenteleskop überwacht rund hunderttausend Sterne in einem ausgewählten Himmelsareal, um periodisch wiederkehrende, geringfügige Helligkeitsänderungen aufzuspüren. Solche Helligkeitsänderungen können zum Beispiel durch Planeten ausgelöst werden, die vor ihrem Stern vorbeiziehen - ähnlich wie die Venus Anfang des Monats für irdische Beobachter vor der Sonne hergezogen ist.

Planeteneigenschaften im Sternenspektrum

Aus der Größe der gemessenen Helligkeitsänderungen lässt sich zunächst nur das Größenverhältnis von Planet zu Stern bestimmen: Hat der Planet zum Beispiel einen Durchmesser von einem Zehntel des Sterndurchmessers, so kann er maximal rund ein Prozent der Sternscheibe bedecken, was zu einer einprozentigen Helligkeitsabnahme führt. Da sich der Durchmesser eines Sterns aber in aller Regel aus der Analyse des Sternspektrums ableiten lässt, bekommt man über diesen Umweg auch Hinweise auf die Größe der jeweiligen Planeten. Allerdings sind dafür aussagekräftige Sternspektren erforderlich, die noch nicht für alle von Kepler beobachteten Sterne mit Planetenkandidaten vorliegen. Bei immerhin 152 Sternen, die von insgesamt 226 Planeten umrundet werden, konnten die Wissenschaftler bereits die Durchmesser der Planeten in der beschriebenen Weise ermitteln; 175 Planeten (mehr als 75 Prozent) sind kleiner als der Neptun, der kleinste Planet im Sonnensystem, der nicht vorwiegend aus Gestein besteht.

Schwere Elemente - das Kritierium?

Lange hatte man angenommen, dass Gesteinsplaneten wie die Erde erst vergleichsweise spät in der Geschichte des Universums entstanden waren. Ihre Bestandteile, Elemente wie Silizium, Sauerstoff und Eisen, existierten nämlich nicht von Anfang an im Universum, sondern mussten erst im Innern von Sternen früher Generationen erbrütet und nach deren Ende freigesetzt werden. Dagegen schienen Gasriesen wie Jupiter, die vornehmlich Wasserstoff und Helium - und damit Elemente aus der Anfangsphase des Universums - enthalten, viel früher entstanden zu sein.

Inzwischen ließ sich diese lange gehegte Annahme an einer ausreichend großen Zahl bekannter Exoplaneten überprüfen. Da die Sternspektren auch Auskunft über den Anteil schwererer Elemente (von den Astronomen allgemein und vereinfacht als „Metalle“ bezeichnet) im Innern der Sterne geben, konnte man nach einem möglichen Zusammenhang zwischen dem Metallgehalt (der „Metallizität“) der Sterne und der Größe der Planeten suchen. Dabei war zunächst aufgefallen, dass die Entstehung jupiterähnlicher Gasriesen offenbar doch einen vergleichsweise hohen Anteil (ähnlich hoch wie in der Sonne) an solchen Elementen jenseits von Helium voraussetzt. Weil die interstellare Materie aber nur allmählich mit schwereren Elementen angereichert wurde, deutet ein notwendiger hoher Anteil auf ein vergleichsweise spätes Auftreten solcher jupiterähnlichen Planeten in der Geschichte des Universums hin.

Metallarme Krippe für Planeten

Die neue, von den Forschern um Lars Buchhave vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen vorgestellte Analyse der Kepler-Daten erlaubte mit 152 Sternen nun erstmals auch eine aussagekräftige Untersuchung für kleinere, erdähnliche Gesteinsplaneten. Dabei zeigte sich, dass sie auch bei Sternen auftreten, die deutlich weniger Metalle enthalten als die Sonne und daher älter als die Sonne sein müssen: In Einzelfällen lag dieser Wert bei einem Viertel des Sonnenwertes. Dies führt zwingend zu der Annahme, dass kleine, erdähnliche Gesteinsplaneten bereits wesentlich früher in der Geschichte des Universums entstehen konnten als vor rund fünf Milliarden Jahren, als der Metallgehalt des interstellaren Gases etwa auf den in der Sonne messbaren Wert angestiegen war.