Astronomen bemühen sich, etwas über Supererden zu lernen - größer als unsere Erde, kleiner als Neptun - die häufigste Art von Planeten, die vom Kepler-Raumschiff gefunden wurde.
Darstellung der abgeleiteten Größe einer Supererde (Mitte) im Vergleich zu Erde und Neptun. Via Aldaron auf Wikipedia
Die Kepler-Sonde der NASA, die 2009 eine Planetenjagdmission startete, durchsuchte einen kleinen Teil des Himmels und identifizierte mehr als 4.000 mögliche Exoplaneten. Diese fernen Welten umkreisen andere Sterne als unsere eigene Sonne. Keplers Umfrage war die erste, die einen endgültigen Überblick über die relative Häufigkeit von Planeten als Funktion der Größe gab. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass kleine Planeten viel häufiger sind als große. Interessanterweise sind die häufigsten Planeten jene, die nur ein bisschen größer als die Erde, aber kleiner als Neptun sind - die sogenannten Super-Erden.
Es gibt keine Supererden in unserem eigenen Sonnensystem. Während Astronomen heutzutage in der Lage sind, über den fernen Weltraum zu schauen und etwas über die Größen und Umlaufbahnen der Supererden zu lernen, möchten sie wissen, woraus Supererden bestehen?
Eine Super-Erde könnte eine größere Version unserer eigenen Erde sein - meist felsig mit einer Atmosphäre. Oder es könnte ein Mini-Neptun sein, dessen großer Stein-Eis-Kern in einer dicken Hülle aus Wasserstoff und Helium eingeschlossen ist. Oder eine Supererde könnte eine sein Wasserwelt - ein felsiger Kern, eingehüllt in eine Wasserdecke und möglicherweise eine Atmosphäre aus Dampf (abhängig von der Temperatur des Planeten).
Heather Knutson ist Assistant Professor für Planetenwissenschaften an der Caltech. Sie und ihre Schüler nutzen weltraumgestützte Observatorien wie das Hubble- und das Spitzer-Weltraumteleskop, um mehr über Supererden zu erfahren. Knutson sagte:
Es ist wirklich interessant, über diese Planeten nachzudenken, da sie so viele verschiedene Kompositionen haben können, und wenn man weiß, wie sie sich zusammensetzen, kann man viel darüber erfahren, wie sich Planeten bilden.
Da Planeten in diesem Größenbereich zum Beispiel den größten Teil ihrer Masse durch Einziehen und Einarbeiten von festem Material gewinnen, müssen sich Wasserwelten zunächst weit entfernt von ihren Muttersternen gebildet haben, wo die Temperaturen kalt genug waren, damit das Wasser gefrieren konnte. Die meisten der heute bekannten Super-Erden kreisen sehr nahe an ihren Wirtssternen. Wenn sich von Wasser dominierte Super-Erden als verbreitet herausstellen, würde dies darauf hinweisen, dass sich die meisten dieser Welten nicht an ihren gegenwärtigen Orten gebildet haben, sondern von weiter entfernten Umlaufbahnen eingewandert sind.
In der Darstellung dieses Künstlers kreuzt der neptungroße Planet HAT-P-11b vor seinem Stern.Bild über NASA / JPL-Caltech
Knutson und ihr Team verwenden umlaufende Teleskope, um das Sternenlicht zu analysieren, das durch eine Exoplanetenatmosphäre filtert, wenn diese Planeten von der Erde aus gesehen vor ihren Sternen vorbeiziehen. Auf diese Weise konnten sie fast zwei Dutzend der so genannten Gasriesen-Exoplaneten charakterisieren heiße JupiterDies zeigt, dass diese Arten von Welten Wasser, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Helium - und möglicherweise Kohlendioxid und Methan - in ihrer Atmosphäre haben.
Aber was ist mit den Super-Erden? Bisher sind nur wenige so nah und umkreisen helle Sterne, dass Astronomen sie mit derzeit verfügbaren Teleskopen und Techniken untersuchen können.
Die erste Supererde, die die astronomische Gemeinschaft für atmosphärische Studien ins Visier nahm, war GJ 1214b im Sternbild Ophiuchus. Anhand seiner durchschnittlichen Dichte (bestimmt aus seiner Masse und seinem Radius) war von Anfang an klar, dass der Planet nicht ganz felsig war. Seine Dichte könnte jedoch gleichermaßen gut durch eine hauptsächlich aus Wasser bestehende Zusammensetzung oder eine Neptun-ähnliche Zusammensetzung mit einem von einer dicken Gashülle umgebenen felsigen Kern erreicht werden.
Informationen über die Atmosphäre könnten Astronomen dabei helfen, herauszufinden, um welche es sich handelt: Die Atmosphäre eines Mini-Neptuns sollte viel molekularen Wasserstoff enthalten, während die Atmosphäre einer Wasserwelt von Wasser dominiert werden sollte.
GJ 1214b ist seit seiner Entdeckung im Jahr 2009 ein beliebtes Ziel für das Hubble-Weltraumteleskop. Nach einer ersten Hubble-Kampagne, die von Forschern des Harvard-Smithsonian-Zentrums für Astrophysik durchgeführt wurde, kehrte das Spektrum enttäuschenderweise zurück - es gab keine chemischen Signaturen im Atmosphäre. Nachdem eine zweite Reihe empfindlicherer Beobachtungen, die von Forschern der Universität von Chicago durchgeführt wurden, dasselbe Ergebnis lieferte, wurde klar, dass ein hohes Wolkendeck die Signatur der Absorption aus der Atmosphäre des Planeten maskieren muss. Knutson sagte:
Es ist aufregend zu wissen, dass es Wolken auf dem Planeten gibt, aber die Wolken stören das, was wir eigentlich wissen wollten. Woraus besteht diese Supererde?
Jetzt hat Knutsons Team eine zweite Super-Erde untersucht: HD 97658b, in Richtung des Sternbildes Leo. Sie berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe von The Astrophysical Journal. Die Forscher verwendeten Hubble, um die Abnahme des Lichts zu messen, wenn der Planet über einen Bereich von Infrarotwellenlängen vor seinem Mutterstern vorbeiging, um kleine Veränderungen zu erkennen, die durch Wasserdampf in der Atmosphäre des Planeten verursacht werden.
Die Daten kamen jedoch wieder ohne Hintergrundinformationen zurück. Eine Erklärung ist, dass HD 97658b ebenfalls von Wolken umhüllt ist. Knutson sagt jedoch, es ist auch möglich, dass der Planet eine Atmosphäre hat, der Wasserstoff fehlt. Da eine solche Atmosphäre sehr kompakt sein könnte, würden die verräterischen Finger von Wasserdampf und anderen Molekülen sehr klein und schwer zu erkennen sein. Sie sagte:
Unsere Daten sind nicht präzise genug, um zu sagen, ob es Wolken oder das Fehlen von Wasserstoff in der Atmosphäre sind, die das Spektrum flach machen. Dies war nur ein kurzer erster Blick, der uns eine ungefähre Vorstellung davon gab, wie die Atmosphäre aussah. Im nächsten Jahr werden wir Hubble verwenden, um diesen Planeten noch einmal genauer zu beobachten. Wir hoffen, dass diese Beobachtungen eine klare Antwort auf das aktuelle Rätsel geben.
Zukünftig sollten neue Vermessungen wie die erweiterte Kepler-K2-Mission der NASA und der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), dessen Start für 2017 geplant ist, eine große Stichprobe neuer Super-Earth-Ziele identifizieren.
Natürlich, sagt sie, würden Astronomen gerne Exoplaneten von der Größe der Erde untersuchen, aber diese Welten sind einfach ein bisschen zu klein und zu schwierig, um sie mit Hubble und Spitzer zu beobachten. Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA, dessen Start für 2018 geplant ist, bietet die erste Gelegenheit, mehr erdähnliche Welten zu untersuchen. Sie kommentierte:
Super-Erden befinden sich am Rande dessen, was wir gerade studieren können. Aber Super-Erden sind ein guter Trostpreis - sie sind für sich genommen interessant und geben uns die Möglichkeit, neue Arten von Welten ohne Analogie in unserem eigenen Sonnensystem zu erforschen.