Ein Planet, der so nicht existieren sollte

Künstlerische Darstellung von Kepler-10c mit seinem Stern (Kepler-10a) und Kepler-10b, einem kleineren, sehr heissen Planeten, dessen Oberfläche aus flüssiger Lava besteht. Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics/David Aguilar

Rund 560 Lichtjahre von der Erde entfernt, im Sternbild des Drachen, stellt eine Erde geltende Theorien zur Entstehung von Planeten in Frage. Angesichts seiner Masse sollte der Planet mit dem Übernamen "Godzilla der Erden" ein Gasplanet sein, ist jedoch ein Gesteinsplanet. Astrophysiker in Genf und Harvard, die hinter der Entdeckung stehen, sind praktisch sprachlos.

Im Katalog der Planeten, die um ferne Sterne kreisen, ist Kepler-10c keine Neuentdeckung. Wie aus dem Namen hervorgeht, dreht es sich um den 10. Planeten, der vom US-Weltraumteleskop Kepler entdeckt wurde. Das war 2011.

Wieso sorgt diese Entdeckung nun gut drei Jahre später für Wirbel? Weil man bisher nicht alles wusste. Wie sein franko-europäisches Pendant Corot sucht das Kepler-Teleskop mit der Transitmethode nach Exoplaneten (Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems). Das Teleskop misst dabei die Abschwächung der Helligkeit eines Sterns, wenn ein Planet an ihm vorbeizieht. Aufgrund dieser Messungen lassen sich Grösse des Planeten und dessen Umlaufzeit um den Stern ermitteln.

Zur Zeit seiner Entdeckung wurde Kepler-10c mit seinem Durchmesser von etwa 29’000 Kilometern (rund 2,3 Mal so viel wie die Erde) von den Forschern provisorisch als eine Art «Mini-Neptun» katalogisiert, das heisst, als ein Gasplanet.

Um mehr über neu entdeckte Planeten zu erfahren, versuchen die Astrophysiker, deren Masse zu bestimmen. Das geschieht mit Hilfe von Spektrographen, die an grosse Bodenteleskope gekoppelt sind. Diese hochpräzisen Instrumente messen die Radialgeschwindigkeit von Sternen, das heisst winzige Abweichungen auf deren Bahn durch die Galaxie, die durch die Planeten der Sterne hervorgerufen werden.

Im folgenden Video werden die beiden Varianten – Transit-Methode und Radialgeschwindigkeits-Methode – erklärt.

Die beiden zurzeit präzisesten Spektrographen (HARPS-Süd und HARPS-Nord, einer pro Hemisphäre) wurden vom Observatorium der Universität Genf entwickelt. Die Masse von Kepler-10c wurde mit HARPS-Nord bestimmt, dem Spektrographen auf der kanarischen Insel La Palma. Ausgehend von diesen Informationen wurde dann die Dichte des Planeten ermittelt. Die Anfang Juni in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Resultate sorgten bei Experten, die sich mit Exoplaneten befassen, für grosse Überraschung.

«Mit einer solchen Dichte kann es sich angesichts seines Durchmessers nur um einen Gesteinsplaneten handeln», erklärt Xavier Dumusque, Hauptautor des Artikels, aus Boston. «Wir waren völlig überrascht, als uns klar wurde, was wir da entdeckt hatten. Es steht im Gegensatz zu allen Modellen zur Entstehung von Planeten, die wir seit 10 Jahren nutzen, und die immer funktioniert haben. Es ist eine Art Revolution.»

«Die Entstehung von Planeten, so wie wir sie zurzeit verstehen, beginnt mit einer grossen Wolke aus Gasen um einen Stern herum», erklärt der junge französisch-schweizerischer Astrophysiker, der in Genf und Porto seine Ausbildung absolvierte, bevor er ans Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics kam. «Und diese Wolke enthält normalerweise nur 1% schwere Materialien, die das Herz des Planeten bilden werden. Der Rest sind gasförmige Elemente.»

Kepler-10c könnte die Geschichte des Universums neu schreiben (Engl.)

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«Wir verstehen nicht»

Über die Hunderte von Millionen von Jahren hinweg, welche die Entstehung eines Planeten dauert, wird die Anziehungskraft dieses Kerns die leichten Gase anziehen. Ist das Herz schliesslich schwer genug, wird es die gesamte ursprüngliche Gaswolke «aufsaugen», was zur Geburt eines riesigen Gasplaneten führen wird, von denen es in unserem Sonnensystem vier gibt (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) sowie Tausende weitere, die in einem Katalog der bisher entdeckten Exoplaneten aufgeführt werden.

Nach den bisher allgemein gültigen Modellen «saugt» ein Planet ab einer Masse, die 10 bis 12 Mal jener unserer Erde entspricht, seine Gaswolke zwangsläufig auf, wird zu einem Riesen mit einem Eiskern im Innern, umgeben von einer Gashülle. Die Dichte von Kepler-10c liegt bei erstaunlichen 17 Erdmassen, dennoch handle es sich angesichts seines Durchmessers um einen Gesteinsplaneten. «Wir verstehen es bisher nicht», sagt Xavier Dumusque. «Aber wir werden es am Ende herausfinden.»

In der Zwischenzeit hat sein Harvard-Kollege Dimitar Sasselov diesen ersten Fall einer unerwarteten Klasse von Mega-Erden in Anlehnung an den König der Monster als «Godzilla der Erden» bezeichnet.

Immer mehr!

4619 Exoplaneten wurden bis heute erfasst. Davon wurden 1728 bestätigt, für die restlichen 2891 brauchte es weitere Massnahmen, bevor ihre Existenz als gesichert gilt.

An der Universität Genf hat alles begonnen: Dort arbeiteten Michel Mayor und Didier Quéloz, als sie 1995 die Entdeckung von 51 Pegasi b bekannt gaben, dem ersten dieser weit entfernten Planeten. Auch die beiden HARPS-Spektrographen, die gegenwärtig präzisesten Instrumente für die Entdeckung und weitere Charakterisierung von Exoplaneten mit Hilfe der Radialgeschwindigkeits-Methode, wurden hier konzipiert.

CHEOPS hat von der Europäischen Raumfahrtagentur ESA eben grünes Licht erhalten für die Phase der industriellen Entwicklung. Ab Ende 2017 soll das in der Schweiz konzipierte Weltraum-Teleskop den Transit von Exoplaneten für deren weitere Charakterisierung observieren, die vom Bode aus bereits identifiziert wurden, vor allem durch die HARPS-Teleskope.

PLATO hat im Februar von der ESA ebenfalls grünes Licht erhalten. Ab 2024 soll der Satellit mit 32 kleinen Teleskopen auf der Suche nach neuen Planeten bis zu 80% der hellsten Sterne am Himmel scannen. Die Universitäten von Genf und Bern sind beide wesentlich an der Entwicklung dieser Mission beteiligt.

PlanetS ist der Name eines Nationalen Forschungsschwerpunkts, dessen Lancierung die Schweizer Regierung Ende 2013 bekannt gab. Bis 2017 werden damit 17 Mio. Franken für Planetenforschung und Erforschung der Bedingungen für die Entwicklung von Leben bereit gestellt. PlanetS steht unter gemeinsamer Leitung der Universitäten Bern und Genf.

Könnte es auf diesem Planeten, den es Modellberechnungen zufolge gar nicht geben sollte, allenfalls auch Leben möglich sein? Unter den Fachleuten, die sich seit seiner Entdeckung geäussert haben, scheint niemand wirklich daran zu glauben. Der Planet kreist in 45 Tagen um seinen sonnenähnlichen Stern, er ist diesem derart nahe, dass es auf dem Planeten sehr heiss wird.

Xavier Dumusque schätzt, dass die Temperatur am Rande der Atmosphäre dieses Planeten (falls er eine hat) bei etwa 300°C liegen würde. «Davon abgesehen, würde diese Atmosphäre von Wolken abgedeckt, welche die Strahlen der Sonne blockieren würden, könnte das auf der Oberfläche des Planeten zu einer tieferen Temperatur führen», erklärt der Forscher weiter.

Ein umgekehrter Mechanismus des Treibhausgaseffekts auf unserer Erde, der eher einem aus post-apokalyptischen Romanen bekannten «nuklearen Winter» ähnlich wäre. Es würde aber auch bedeuten, dass die hypothetischen Lebewesen auf Kepler-10c es geschafft haben müssten, sich ohne die Energie von Licht zu entwickeln, die für die Entwicklung von Leben, wie wir es kennen wesentlich ist…

Auch Xavier Dumusque schätzt die Chancen, dass sich auf diesem Planeten Leben entwickeln könnte, letzten Endes als sehr gering ein. Auch wenn «die Suche nach Leben zweifellos etwas ist, das uns bei unserer Forschung vorantreibt». Im Fall des Planeten Godzilla sei aber am faszinierendsten, dass «eine Theorie, die als etabliert betrachtet wurde, in Frage gestellt wird».

Die Exoplaneten-Jäger dürften nicht am Ende ihrer Überraschungen sein. Schon 1995 hatte 51 Pegasi b, der erste Exoplanet im Katalog, alle Prognosen über den Haufen geworfen. 150 Mal schwerer als unsere Erde, kreist er in vier Tagen um einen Stern, der ihn auf fast 1000°C erhitzt: Eine solch albtraumhafte Welt hätte nach damaligen Wissensstand auch nicht existieren sollen.

«Das zeigt uns, dass die Natur in der Lage ist, eine breite Palette von Objekten zu erschaffen. Jedes Mal, wenn etwas möglich ist, macht die Natur es», erklärte Stéphane Udry, Direktor des Observatoriums der Universität Genf und Co-Autor des Artikels über Kepler-10c am Westschweizer Radio TSR. «Was die 20 Jahre Entdeckungen markiert, ist die Diversität der Objekte, auf die wir bisher gestossen sind.»

(Übertragung aus dem Französischen: Rita Emch)