Die seltsame Geschichte vom Diamant-Planeten

Die Meldung findet man derzeit in allen Medien: Wissenschaftler haben einen Diamant-Planeten entdeckt! Das klingt natürlich enorm faszinierend und ziemlich fantastisch. Und es stimmt auch nicht so ganz. Zumindest ist alles ein wenig anders, als man es sich bei so einer Schlagzeile vielleicht vorstellt…

Das fängt schon damit an, dass der Planet um den es geht – er heißt 55 Cancri e – schon im Jahr 2004 entdeckt worden ist. Es handelt sich bei um eine sogenannte „Supererde“. So nennt man Planeten, die ein wenig schwerer und größer als die Erde sind, aber nicht so riesig wie die großen Gasplaneten. Im Gegensatz zu ihnen hat eine Supererde auch – vermutlich – eine feste Oberfläche. Solche Planeten kennen wir nicht in unserem Sonnensystem. Von den vier felsigen, erdähnlichen Planeten die wir haben – Merkur, Venus, Erde und Mars – ist die Erde am größten. Und danach kommen schon die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Deswegen wollen die Wissenschaftler natürlich verstehen, was diese Supererden sind, wie sie entstehen und wie ihre innere Struktur aussieht. Das ist aber leider schwierig. Man kann die Exoplaneten nicht direkt beobachten. Und meistens kennt man nicht mal ihre Masse ausreichend genau.

Bei der Methode mit der 55 Cancri e entdeckt wurde – der Radialgeschwindigkeitsmethode – kann man die Masse des entdeckten Planeten nur innerhalb sehr großer Fehlergrenzen bestimmen. Erst nachdem der Planet im Jahr 2011 auch mit einer zweiten Methode – der Transitmethode – beobachtet wurde, war es möglich, nicht nur seine Größe sondern auch seine Masse sehr genau zu bestimmen. 55 Cancri e ist doppelt so groß wie unsere Erde und ein bisschen mehr als achtmal so schwer. Aus Masse und Größe folgt natürlich sofort die mittlere Dichte des Planeten. Sie liegt bei ungefähr 6 Gramm pro Kubikzentimeter und ist damit größer als die der Erde. Auf 55 Cancri e ist es auch viel heißer als bei uns. Die Temperatur beträgt ungefähr 1800 Grad, denn der Planet ist seinem Stern enorm nahe. Er befindet sich 65 mal näher an seinem Stern als die Erde an der Sonne! Und braucht für eine Umkreisung nur 18 Stunden!

55 Cancri e ist also ein sehr seltsames Objekt. Und dank der aktuellen Untersuchungen von Nikku Madhusudhan und seinen Kollegen ist er noch ein Stück seltsamer geworden. In ihrer Arbeit mit dem Titel „A Possible Carbon-rich Interior in Super-Earth 55 Cancri e“ haben sie verschiedenen theoretische Modelle getestet, die den inneren Aufbau des Planeten erklären könnten. Aus welchen Elementen kann der Planet bestehen, wenn er so groß und schwer ist, wie man es beobachtet? Diese Grafik aus ihrer Arbeit gibt einen ersten Überblick:

Das Diagramm zeigt auf der x-Achse die Masse in Einheiten der Erdmasse und auf der y-Achse den Radius in Einheiten des Erdradius. Eingezeichnet sind verschiedene extrasolare Planeten. 55 Cancri e ist ebenfalls eingezeichnet. Sogar zweimal, denn es gibt auch Messungen die im infraroten Wellenlängenbereich gemacht wurde und einen leicht größeren Radius geliefert haben (innerhalb der Fehlergrenzen stimmen beide Werte aber überein). Die bunten Linien zeigen an, wo Planeten liegen würden, wenn sie komplett aus einem bestimmten Material bestehen würde. Ein Himmelskörper aus reinem Eisen müsste also irgendwo entlang der roten Linie liegen. Ein Planet der nur aus Kohlenstoff besteht, müsste sich entlang der grauen Linie (die zweite von oben) finden. Natürlich wäre es absurd davon auszugehen, ein Planet würde komplett aus Eisen oder komplett aus Kohlenstoff bestehen. Planeten entstehen aus einer großen Scheibe aus Gas und Staub die einen Stern umgibt und in der sich alle möglichen chemischen Elemente befinden. Vermischt, und nicht schön getrennt nach Kohlenstoff, Eisen, und so weiter. Also sind auch die Planeten, die daraus entstehen, Mischungen. Die Erde zum Beispiel besteht zu 32 Prozent aus Sauerstoff, zu 29 Prozent aus Eisen, zu 17 Prozent aus Silicium und zu 16 Prozent aus Magnesium. Die restlichen 6 Prozent machen alle anderen Element aus.

Die komplette innere Struktur eines Planeten mit all seinen Elementen lässt sich natürlich nicht am Computer simulieren. Aber vereinfachte Modelle funktionieren. Bei 55 Cancri e sind Madhusudhan und seine Kollegen in ihren Modellen davon ausgegangen, dass der Planet aus drei verschiedenen „Schalen“ besteht. Einem Kern aus Eisen, einer darüber liegenden Schicht aus Magnesiumsilikat (MgSiO3) oder Siliciumcarbid (SiC) und einer äußeren Schicht aus Kohlenstoff. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie man daraus einen Planeten bauen kann, der die Eigenschaften von 55 Cancri e hat. Dieses Diagramm aus der Arbeit der Forscher fasst sie zusammen:

Man liest es so: Die drei Seiten des Dreiecks geben die Anteile des jeweiligen Materials wieder. Nehmen wir an, der Planet würde zu 60 Prozent aus Eisen, zu 20 Prozent aus SiC und zu 20 Prozent aus Kohlenstoff bestehen. Dann muss er sich an einem Punkt im Diagramm befinden, von dem aus man entlang einer der Linien zum Wert „0,6“ auf der Eisenseite des Dreiecks gelangt, zum Wert „0,2“ auf der SiC-Seite und zum Wert „0,2“ auf der Kohlenstoffseite. So einen Punkt gibt es und wenn wir nachsehen, dann sehen wir, dass er in der linke Ecke des Dreiecks im weißen Bereich liegt. Weiß bedeutet in diesem Fall aber, dass die Modelle diese Zusammensetzung nicht erlauben. Diese Zusammensetzung kommt für 55 Cancri e also nicht in Frage! Nur die roten und blauen (entspricht wieder den beiden Messungen, wobei der rote Bereich den blauen Bereich beinhaltet) Bereiche stellen erlaubte Kombinationen dar. Jeder Punkt innerhalb der farbigen Bereiche von dem aus man Punkte an den drei Seiten des Dreiecks erreichen kann, deren Werte sich „1“ summieren, entspricht einer möglichen Zusammensetzung des Planeten. Er kann zum Beispiel aus 20 Prozent Eisen, 40 Prozent MgSiO3 und 40 Prozent Kohlenstoff bestehen (rechtes Dreieck, im roten Bereich). Oder aus 40 Prozent Eisen und 60 Prozent Kohlenstoff (linkes Dreieck, blauer Bereich). Und so weiter.

Allerdings sind nicht alle möglichen Kombinationen auch gleich wahrscheinlich. Es ist allerdings nach dem aktuellen Stand des Wissens über 55 Cancri e kaum möglich, herauszufinden, wie der Planet nun tatsächlich zusammengesetzt ist. Aber es ist zumindest klar, dass 55 Cancri e deutlich mehr Kohlenstoff enthalten dürfte als unsere Erde. Bei uns beträgt dieser Anteil nur 0.17 Prozent! Das ist schon eine sehr wichtige Erkenntnis. Felsige Planeten müssen nicht unbedingt alle so aufgebaut sein wie die Erde. Es kann auch Planeten geben, die sehr viel Kohlenstoff enthalten. Die Geophysik in ihrem Inneren würde dann ganz anders ablaufen. Das würde natürlich auch den Rest des Planeten beeinflussen. Vulkanismus, Plattentektonik, Rotation, etc – all das hängt von den Vorgängen im Planeteninneren ab. Das Universum hat anscheinend viele verschiedene Planetenmodelle im Angebot und der Typ „Erde“ ist nur einer davon.

Was die Diamanten angeht. Im Artikel selbst wird kein Wort über einen „Diamant-Planeten“ verloren. Dafür aber in der Pressemitteilung der Universität Yale. Da wird Nikku Madhusudhan mit folgenden Worten zitiert:

„Anstatt von Wasser und Granit ist die Oberfläche dieses Planeten wahrscheinlich mit Graphit und Diamanten übersät.“

Klar, auf einem Planeten, auf dem es kaum Wasser und Sauerstoff gibt wie bei uns, dafür aber viel mehr Kohlenstoff, kann man natürlich auch die mineralischen Formen des Kohlenstoffs finden, darunter auch Diamanten. Aber einen „Diamant-Planeten“ macht das noch nicht; vor allem, weil man noch deutlich mehr Beobachtungsdaten brauchen wird, um die Zusammensetzung des Planeten genauer zu bestimmen. Vielleicht gibt es da draußen irgendwo tatsächlich einen Planet aus Diamant. Das wissen wir nicht. Aber wir wissen, dass das Universum voll ist mit Welten, die viel seltsamer sind als die, auf der wir leben. Und das ist doch auch ganz beeindruckend…