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Astronomie|Physik

Extrasolares Leichtgewicht mit großem Kern

GJ 367b
So könnte der Exoplanet GJ 367b aussehen. (Bild: SPP 1992/ Patricia Klein)

Je kleiner und leichter ein Exoplanet ist, desto schwerer ist er mit gängigen Methoden aufzuspüren. Einen der leichtesten und kleinsten bisher bekannten extrasolaren Gesteinsplaneten haben Astronomen nun in rund 31 Lichtjahren Entfernung entdeckt. Der Planet GJ 367b ist etwa so groß wie der Mars und hat nur gut die halbe Masse der Erde. Aus dem Verhältnis von Masse und Größe schließen die Forscher, dass der Eisenkern dieses Exoplaneten den größten Teil seines Inneren einnehmen muss – ähnlich wie beim Merkur macht der Kern gut 80 Prozent des Durchmessers aus. Lebensfreundlich ist GJ 367b allerdings nicht: Weil er sehr nahe an seinem Stern, einem Roten Zwerg, kreist, liegt seine Oberflächentemperatur bei gut 1500 Grad.

Seit der Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten in den 1990er Jahren haben Astronomen tausende weiterer Welten um fremde Sterne aufgespürt. Einige davon verrieten sich durch ihre Schwerkraftwirkung auf ihren Stern, andere machten sich dadurch bemerkbar, dass sie direkt vor ihrem Stern vorbeizogen und ihn dadurch periodisch verdunkelten. Generell gilt jedoch, dass größere, ihrem Stern nahe Exoplaneten über diese Methoden einfacher zu finden sind als kleinere. Die für die Astronomie besonders interessanten Gesteinsplaneten von Erdgröße oder noch darunter sind dagegen deutlich schwerer nachzuweisen, denn sie üben nur geringe Schwerkrafteffekte auf ihre Sterne aus und bei hellen Sternen ist auch der Transit oft überstrahlt und schwer in der Lichtkurve zu erkennen.

Verräterische Abschattung um einen Roten Zwerg

Bessere Chancen, auch solche planetaren Winzlinge aufzuspüren, bieten aber Rote Zwerge – ein Sternentyp, der vor allem in unserem nahen kosmischen Umfeld sehr häufig vorkommt. Diese relativ kühlen, schwächer leuchtenden Sterne haben weniger als 60 Prozent des Sonnenradius. „Das Transitsignal eines Planeten, der einen solchen M-Zwergstern umkreist, ist daher in Relation größer als bei einem gleichgroßen Planeten um einen sonnenähnlichen Stern“, erklären Kristine Lam von der Technischen Universität Berlin und ihre Kollegen. Das eröffnet die Chance, selbst sehr kleine, dicht an ihrem Stern kreisende Planeten zu identifizieren. Einen Kandidaten für eine solche Sub-Erde entdeckten Astronomen mithilfe des Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) in nur 31 Lichtjahren Entfernung.
Die Beobachtungen legten nahe, dass es um den nahen Roten Zwerg GJ 367 einen Planeten mit einer Größe von nur 0,75 Erdradien geben könnte.

Um diesem Verdacht nachzugehen und mehr über diesen möglichen Exoplaneten zu erfahren, haben Lam und ihr Team weitere TESS-Daten ausgewertet und den Planetenkandidaten und seinen Stern zusätzlich mit dem HARPS-Spektrographen des La-Silla-Observatoriums der Europäischen Südsternwarte in Chile beobachtet. „Wir haben mehrere Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass es sich bei diesem Kandidaten nicht um ein falsch positives Signal handelte“, erklären sie. Doch die neuen Beobachtungen bestätigten: Das Licht des Roten Zwerges wird regelmäßig alle 0,32 Tage leicht abgedunkelt. Aus der Dauer und Form dieser Senke in der Lichtkurve schließen die Astronomen, dass diese Verschattung von einem Planeten stammen muss.

Klein, dicht und ziemlich heiß

Wie die Analysen ergaben, gibt es um den Roten Zwerg einen Planeten mit einem Durchmesser von rund 9000 Kilometern – er ist damit kaum größer als der Mars. Mit nur rund 0,55 Erdmassen ist der GJ 367b getaufte Planet zudem einer der leichtesten bisher bekannten Exoplaneten. „Aus der präzisen Bestimmung von Radius und Masse schließen wir, dass GJ 367b ein Gesteinsplanet sein muss“, sagt Lam. „Damit gehört er zu den terrestrischen Sub-Erden und bringt uns auf der Suche nach einer zweiten Erde einen Schritt weiter.“ In Bezug auf sein Klima ist GJ 367b allerdings wenig erdähnlich. Er umkreist seinen Stern auf einem sehr engen Orbit und benötigt nur 0,32 Tage für einen Umlauf – ein Jahr dauert auf ihm daher nur rund acht Stunden. Obwohl sein Zentralstern relativ kühl und lichtschwach ist, bekommt der Planet dadurch 576-mal so viel Strahlung von seinem Stern ab wie die Erde. Als Folge liegen die Temperaturen auf seiner Tagseite bei fast 1500 Grad Celsius. „Das ist heiß genug, um Silikate und metallisches Eisen zu schmelzen oder zu verdampfen“, erklären die Astronomen.

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Aus der Masse und Größe von GJ 367b konnten die Forscher auch die Dichte des Planeten ermitteln. Sie liegt demnach bei 8,1 Gramm pro Kubikzentimeter und ist damit deutlich höher als bei anderen Exoplaneten ähnlicher Größe. „Die hohe Dichte deutet darauf hin, dass dieser Planet von einem Eisenkern dominiert wird“, erklärt Lams Kollege Szilard Csizmadia. Den Berechnungen des Teams zufolge könnte dieser Metallkern gut 85 Prozent des Planetenradius einnehmen. „Darin ähnelt er dem Merkur, dessen überproportional großer Eisen- und Nickel-Kern ihn von allen anderen terrestrischen Himmelskörpern des Sonnensystems unterscheidet.“ Warum der kleine Planet einen so vergleichsweise riesigen Eisenkern hat, wie er entstanden ist und weshalb er so nahe an seinem Stern kreist, ist bislang ungeklärt.

Quelle: Kristine Lam (TU Berlin) et al., Science, doi: 10.1126/science.aay3253

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