Wenn wir in den letzten 20 Jahren der Exoplanetenforschung etwas gelernt haben, dann, dass die Planeten in unserem Sonnensystem bei weitem nicht repräsentativ sind! Bei anderen Sternen haben wir Planeten gefunden, die es so bei uns nicht gibt. Gigantische Riesenplaneten, die sich in unmittelbarer Nähe ihres Sterns befinden zum Beispiel. Oder „Supererden“, also Gesteinsplaneten mit fester Oberfläche die um ein Vielfaches größer sind als die Erde. Die Erforschung der fremden Planeten (kurze Eigenwerbung: mehr dazu kann man in meinem Buch „Die Neuentdeckung des Himmels“ nachlesen) hat uns die wahre Vielfalt der Planeten im Universum gezeigt. Und dabei jede Menge Rätsel aufgeworfen deren Beantwortung uns völlig neue Phänomene zeigt.
Ganz zu Beginn fand man die „Hot Jupiters“, also große Gasplaneten die sich wahnsinnig dicht an ihren Sternen befanden. Solche Planeten sollte es eigentlich nicht geben, denn damit ein Gasriese entstehen kann, braucht es entsprechend große Menge an Baumaterial. Das findet man aber nicht in der Nähe eines Sterns, sondern nur weiter weg. Nur in ausreichender Entfernung eines heißen Sterns ist es kühl genug, damit in der Frühphase der Planetenentstehung neben den Staubteilchen auch Eisbrocken existieren können. Nur in den ferneren Regionen der Staubscheiben die junge Sterne umgeben findet man das Eis und nur dort können Planeten aus Staub und Eis groß genug und schnell genug wachsen, um zu einem Gasriesen zu werden. In der Nähe des Sterns geht das nicht, dort können nur kleinere Gesteinsplaneten entstehen. Und unser Sonnensystem bestätigt diese These wunderbar: In der Nähe der Sonne gibt es die vier Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars und dahinter folgen die großen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Als dann aber ab 1995 bei anderen Sterne jede Menge Hot Jupiters entdeckt wurden, gab es Verwirrung. All diese großen Gasplaneten befanden sich in Regionen, in denen sie eigentlich nicht entstehen hätten können.
So hat man das Phänomen der planetaren Migration entdeckt und verstanden: Planeten müssen nicht dort bleiben, wo sie entstanden sind, sondern können durch ein Planetensystem wandern. Sie können weit weg von einem Stern entstehen; dort wo genug Eis vorhanden ist um zu einem Gasriesen zu werden. Und danach können sie in die Nähe des Sterns wandern und zu einem Hot Jupiter werden. Die Ursache für diese Wanderung ist die gravitative Wechselwirkung zwischen Planeten und den ganzen kleinen Eis- und Gesteinsbrocken, die in der Frühzeit eines Planetensystems dort noch sehr zahlreich vorhanden sind (ich habe das in diesem Artikel ausführlich erklärt bzw. in diesen beiden Podcastfolgen).
Auch die „Supererden“ waren eine faszinierende Entdeckung (für Details siehe hier). In unserem Sonnensystem ist der größte Gesteinsplanet die Erde. Der nächstschwerste Planet ist schon der Uranus mit knapp der 15fachen Erdmasse. Dazwischen gibt es nichts. Nicht bei uns jedenfalls; anderswo haben wir auch Planeten gefunden, die diese Lücke füllen. Planeten mit (vermutlich) fester Oberfläche, die aber bis zu 10 Mal schwerer sind als die Erde. Wir haben Supererden gefunden, die ungefähr so weit von ihrem Stern entfernt sind wie unsere Erde von der Sonne. Aber auch welche, die ihr viel näher sind. Wissenschaftler von der Northwestern University haben nun eine überraschende Verbindung zwischen diesen heißen Supererden und den Hot Jupiters aufgedeckt: Die eine Gruppe von Planeten könnte aus der anderen Gruppe entstanden sein. Große jupiterähnliche Planeten könnten sich in der Nähe eines Sterns zu Supererden verwandeln („From Hot Jupiters to Super-Earths via Roche Lobe Overflow“).
Dass hier irgendetwas komisches vorgeht, zeigt dieses Diagramm:
Sorry, hier fehlt die Achsenbeschriftung, aber es handelt sich um einen Ausschnitt aus einer größeren und komplizierteren Grafik die ich nicht komplett übernehmen wollte. Es ist aber trotzdem nicht schwer zu sehen, worum es geht. Man sieht hier die Verteilung der vom Kepler-Teleskop entdeckten Supererden. Sie sind entlang der x-Achse nach ihrer Umlaufzeit eingeteilt; die Planeten die ihrem Stern nahe sind, sind links; die fernen Planeten rechts. Die Planeten, die sich in Mehrfachplanetensystemen befinden, sind mit schwarz umrandeten Rechtecken eingezeichnet; die Planeten in Einzelsystemen mit grauen Balken. Man erkennt deutlich, dass die beiden Verteilung so halbwegs übereinstimmen, allerdings nicht im linken Teil des Diagramms. Also dort, wo sich die Planeten befinden, die ihrem Stern sehr nahe sind. Hier gibt es deutlich mehr Planeten in Einzelsystemen als Planeten in Mehrfachsystemen und das ist für die Wissenschaftler um Francesca Valsecchi ein Zeichen dafür, dass es sich hier nicht um die gleiche Ausgangspopulation von Planeten handeln kann.
Es scheint einen Mechanismus zu geben, der dazu führt, dass es in Systemen mit mehreren Planeten weniger heiße Supererden gibt. Valsecchi und ihre Kollegen schlagen folgende Hypothese vor: Die heißen Supererden waren früher eigentlich ganz normale Gasriesen. Sie entstanden dort, wo Gasplaneten normalerweise entstehen, also in den ferneren und kühleren Regionen eines Planetensystems. Dann begannen sie zu migrieren und kamen ihrem Stern immer nahe. So nahe, dass sie irgendwann die sogenannte Roche-Grenze überschritten haben. Das ist die Grenze, hinter der die Anziehungskraft des Sterns so stark wird, dass ein Planet sich mit seiner eigenen Gravitationskraft nicht mehr zusammenhalten kann, sondern auseinander gerissen wird. Der Stern saugt nun quasi Gas aus der Atmosphäre des heißen Jupiters ab, bis nur noch der innere Kern übrig bleibt. Aus dem heißen Jupiter ist eine heiße Supererde geworden. Durch den Verlust an Masse rückt der jetzt kleinere Planet wieder ein bisschen vom Stern ab und bleibt auf einer stabilen Bahn.
Diesen Vorgang haben die Wissenschaftler durch Computersimulationen nachvollzogen und gezeigt, dass er zumindest im Modell funktioniert und am Ende jede Menge verschiedene Supererden produziert die in etwa so aussehen wie das, was man auch tatsächlich beobachtet. Einige der bekannten Supererden (zum Beispiel bei den Sternen Kepler-98 und Kepler-78) scheinen sogar exakt der Entwicklungswegen im Modell gefolgt zu sein.
Diese Ergebnisse sind faszinierend. Sie zeigen uns, dass die Planeten nicht nur durch ein System wandern können, sondern dabei auch massiven Transformationen unterworfen sind. Wir stellen uns so ein Planetensystem ja oft immer noch so vor, wie das im 19. Jahrhundert üblich war; als mechanisches und genau vorhersagbares Uhrwerk auf dem die Himmelskörper präzise nach Plan vor sich hin „ticken“. Aber diese alte Vorstellung entfernt sich immer mehr von der Realität. Nicht nur haben wir zwischenzeitlich das Chaos entdeckt und herausgefunden, dass die Migration große Verschiebungen zwischen den Planeten verursacht (vermutlich haben sogar bei uns im Sonnensystem Neptun und Uranus ihre Plätze getauscht). Nun scheint es auch so, als seien nicht einmal die Planeten selbst beständig sondern genau so wandelbar wie ihre Bahnen.
Und auch für die Interpretation der Beobachtungsdaten sind diese Erkenntnisse relevant. Wenn wir aus den entdeckten Planeten Rückschlüsse über die Gesamthäufigkeit der verschiedenen Gruppen ziehen wollen oder verstehen wollen, wie und unter welchen Umständen Planeten entstehen, dann müssen wir berücksichtigen, dass die Planeten die wir heute sehen vielleicht nicht mehr die gleichen Planeten sind, die sie bei ihrer Entstehung waren.
Egal wie oft man hinaus ins Universum blickt: Man findet immer wieder etwas, mit dem man nicht gerechnet hat.
Gesetzt den Fall, auch die Erde wäre bei ihrer Entstehung ein Gasplanet des Uranus/Neptun-Formates gewesen und hätte bei der Migration ins innere Sonnensystem ihre dicke Gashülle verloren: wie soll man das jemals herausfinden …?
Isotopenverhältnisse würden mir da einfallen – als Schnellschuß aber. (Und war da nicht mal was von „die Uratmosphäre der Erde war einst der des Jupiters nicht unähnlich“?)
@Bullet: „Gesetzt den Fall, auch die Erde wäre bei ihrer Entstehung ein Gasplanet des Uranus/Neptun-Formates gewesen und hätte bei der Migration ins innere Sonnensystem ihre dicke Gashülle verloren: wie soll man das jemals herausfinden …?“
Naja, das kann nicht sein, weil die Erde dann viel näher am Stern sein müsste. Viel näher als der Merkur. Es geht hier ja um die heißen Supererden; nicht um „normale“ Erden in der habitablen Zone. Und ob Planeten stark migrieren hängt auch von der Gesamtmasse der Scheibe ab, aus der die Planeten entstehen. Im Sonnensystem gab es nur sehr wenig Migration bei den äußeren Planeten (in dem Fall nach außen, nicht nach innen).
@Bullet
Die Erde kann mit ihrer Masse dauerhaft keinen Wasserstoff halten, weil der bei normalen irdischen Temperaturen schon zum Teil (maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung) mit mehr als ihrer Fluchtgeschwindigkeit unterwegs ist. Ebensowenig Helium. Die Kerne (inklusive Mantel aus Eis) von Uranus und Neptun sind da mit mit über 10 Erdmassen deutlich größer und konnten Wasserstoff viel besser halten (außerdem ist es da draußen kälter). Die Erde wird also nie größere Mengen Wasserstoff (in absoluter Menge) gehabt haben.
Allerdings angesichts der Kollision mit Theia, die den Mond hervorgebracht hat – da dürfte einiges der ersten Atmosphäre verloren gegangen sein. Und in den Meeren wurde sehr viel CO2 zu Kalkstein gebunden. Deswegen ist unsere Atmosphäre heute viel dünner als ursprünglich (auch im Gegensatz zur etwa gleich großen Venus).
Mehr dazu.
Und wieder mal liefert auch dieser Artikel einen weiteren Beweis dafür, wie fragil und zufällig Planetenentstehung sein muss. Ja, es gibt vermutlich unzählige Sternengebundende Plantetensysteme da draussen. Und unzählige Planeteten, die einfach so rumvagabundieren, aber:
Dass die ganzen Zufälligkeiten, die notwendig waren, damit die Erde als äußerst fragiler Lebensraum existieren kann, häufig existieren, halte ich für wenig plausibel.
Ja, eigentlich am Thema vorbei. Sorry. Aber erstens impliziert so ein Aritkel immer diese Frage nach der zweiten Erde (zumindest für Nicht-Astronomen) und zweitens sidn das sind nunmal die Fragen, die mich in so einem Zusammenhang beschäftigen.
Interressant ist auch Alderamins Kommentar. Mir wurde jetzt im Urlaub erst richtig bewusst, dass wir mit sehr, sehr dünner Haut leben. Fliege in 10 km Höhe und Leben ist nicht mehr möglich. Eigentlich schon ab 5 km. Berücksichtigt man dann noch Masse, Wassermenge und Rotation inkl. richtiger Mondgrösse, dann ist die Erde schon ein irrsinniger Zufall, wenn ich das mal so sagen darf.
@Steffmann
Noch sensibler ist die Wassermenge der Erde. 1/3 mehr und nur die höchsten Bergspitzen würden aus dem Ozean ragen. 1/3 weniger und wir hätten einen Wüstenplaneten. Die Kometen udn Asteroiden hätten auch gut das zehnfache an Wasser liefern können. Im Vergleich zur restlichen Erdmasse ist die Wassermenge verschwindend klein.
Bei dem im Artikel behandelten Paper geht’s aber weniger um wirklich erdähnliche Planeten – die Dinger heißen nur „Supererden“ weil sie größer als der größte Gesteinsplanet im Sonnensystem sind, eben die Erde, aber noch keine Gasriesen wie Neptun und Uranus; wäre Venus sagen wir mal doppelt so massiv wie die Erde, würde man sie mit Sicherheit Super-Venuse (-Venera?) nennen. Die inneren Planeten mit fester Oberfläche nennt man alle „terrestrisch“, auch den Merkur, der eher dem Mond als der Erde gleicht.
Vielmehr geht es um die Tatsache, dass es einen Mechanismus gibt, der Gasplaneten ihrer Hülle beraubt; womit man ihnen dann als Nebeneffekt quasi unter die Wäsche gucken kann; wie es im Inneren von Jupiter und Saturn aussieht, ist ja auch nicht so 100% belegt, insbesondere nicht, wie sie entstanden sind (ist da Gas in einer Wollke zu einem Planeten kollabiert, oder entstand erst ein großer Gesteinsplanet, der dann Gas aufgesammelt hat).
@Alderamin
es heißt Venüsse, die Schwestern der Walnüsse. ganz bestimmt 😉
@Steffmann
und ist es nicht nachfolziehbar, dass das Leben, welches sich hier entwickelt hat, eben auch genau an diese Umwelt angepasst ist und demzufolge für eine andere Umwelt eben nicht angepasst ist? Salzwasserfische haben sich an den Salzgehalt angepasst und sterben i.d.R. im Süßwasser, Süßwasserfische geht es idR andersherum ebenso. Wir sollten uns also nicht wundern, das wir ’nur‘ hier überleben können, denn nicht die Umwelt ist zufällig präzise auf uns abgestimmt, sondern wir sind es die präzise auf die Umwelt abgestimmt sind. (!)
Und wenn du keim Kuchenbacken nur eine Zutat durch eine andere ersetzt, gibt es nicht mehr den gewohnten Kuchen. Dass das Rezept deinen Liebligskuchen hervorgebracht hätte, macht die triviale Tatsache, dass etwas anders ist wenn es anders ist, nicht besonders.
Es spricht prinzipiell nichts dagegen, das auf einem Planeten, der für uns offensichtlich tötlich ist nicht doch was lebt, dass sich gerade jetzt sensordaten über die erde anschaut und betrübt ist, dass es immernoch keinen lebensfreundlichen zwillig zu seinem Planeten gefunden hat.
@ Steffmann
Müsste man es nicht eher so betrachten, dass sich „unser“ Leben eben genau in diesen Bedingungen entwickelt hat. Ansonsten landet man sehr schnell bei der religiös anmutenden Betrachtung, dass nur diese Lebensformen möglich sind, für die extra ein passendes Habitat geschaffen werden musste.
@Eberhard Bauer
Es gibt ja genug Planeten im Universum, da wird hin und wieder auch einer dabei sein, wo alles passt für die Entstehung von höherem und intelligentem Leben (einfachere Formen sind da vielleicht weniger anspruchsvoll, wer weiß). Die Abstände zwischen solchen sind aber möglicherweise viel größer, als manch ein Optimist sich das wünscht.
@Steffmann
Sorry, die Wassermenge hast Du ja schon selbst erwähnt, die hatte ich überlesen.
@Alderamin: Als alter Lateiner würde ich als pl. nom. eher Veneres oder Veneris vorschlagen, lässt sich aber schwer eindeutschen. 😉
@Floka
Danke, klingt einleuchtend. Konsonantische Deklination, nehme ich an. Lange her und wenig benutzt…
Der Duden schweigt sich beharrlich über die deutsche Pluralform aus.
Was nicht weiter verwunderlich ist, da es nur eine Venus gibt und nur eine geben kann – auf quasi ewig.
@Bullet
Nö: Die aus der griechischen Sagenwelt, die am Himmel, und die Williams, das sind schon mindestens drei Venusse/Venera… 😉
@Eberhard Bauer:
@Zhar The Mad:
Nein, mit Religion hat das nix zu tun. Nur mit Plausibilität. Die Spekulationen, dass Leben auch unter widrigen Bedingungen zustande kommen kann, kenne ich wohl. Aber bitte dabei berücksichtigen, dass es sich bei den Lebensformen, die auf der Erde unter widrigen Bedingungen existieren, so gut wie immer um Anpassungen handelt. Oder alternativ Lebensformen in Gestalt von Mikroorganismen, die sich dann aber auch über hunderte Millionen Jahre nicht weiter entwickelt haben.
Und selbst wenn ein Planet im Deltaquadranten für kohlenstoffbasiertes Leben (und was anderes kennen wir eben nicht) geeignet sein sollte, dann heisst das erstens nicht, dass sich dort auch intelligentes Leben entwickelt und zweitens auch nicht, dass dieser Planet „zeitgleich“ zu uns existiert.
Und ja, nochmal sorry für immer noch OT.
Kann Jupiter oder Saturn noch zu einer Supererde werden?
@Jens
Durch den Prozess des „roche lobe overflow“ wird das in unserem Sonnensystem nicht funktionieren. Dazu muss der Gasplanet sehr nahe am Stern sein, so ein heißer Jupiter würde innerhalb der Erdbahn (0,15-0,5 AE) kreisen, aber Jupiter kreist hinter der Marsbahn (ca 5 AE). Migration ist im Sonnensystem derzeit praktisch nicht vorhanden, also werden die nicht auf die erforderlichen Bahnen kommen. Erosion der Atmosphäre durch Sonnenwind sollte schwächer sein, als es bei der Erde ist (größerer Sonnenabstand, mehr Masse und stärkeres Magnetfeld sollte den Massenverlust verringern). Das sollte also auch keine Rolle spielen.
Deshalb würde ich sagen, das „unsere“ Gasriesen nicht zu Supererden werden können.
Super interessanter Artikel und ich frage mich gerade, ob es vielleicht auch so ist, dass das Masseverhältnis zwischen den Gasriesen und den Sternen hierbei auch eine sehr interessante Rolle spielen kann. Denn wenn der Gasriese auf den Stern zuwandert, ist er (zumindest nach meinem Verständnis) zu langsam um eine stabile Bahn zu halten.
Verliert er Masse an sein Zentralgestirn, wird dieses wohl auf den Stern zu spiralieren also die Rotationsgeschwindigkeit des Sternes dürfte sich erhöhen, weil die Masse ja näher an ihn heran rückt. Da der Gasriese dem Stern dazu aber sehr nahe sein muss, wirkt die Gezeitenkraft des Sternes relativ stark auf ihn ein.
Ich frage mich also, ob dieser Gasverlust zu einer beschleunigten Rotation des Zentralgestirns führen kann, die bewirkt, dass durch die Gezeitenkraft der übrig gebliebene Supererden-förmige Rest nun beschleunigt wird und wieder vom Zentralgestern wegbeschleunigt wird. Das wäre mega interessant, finde ich.
Grüße,
Christian