Warum Planeten-Zwillinge so verschieden sind

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Bildquelle: Nasa/JPL-Caltech

Exoplaneten – Planeten also bei anderen Sternen – können sich bezüglich Masse und Dichte erheblich unterscheiden, selbst wenn sie als Zwillinge unter nahezu identischen Bedingungen entstanden sind. Am Beispiel der Planeten-Zwillinge Kepler-107b und c, die einen 1700 Lichtjahre entfernten, sonnenähnlichen Stern umkreisen, zeigt ein internationales Forscherteam jetzt, warum das so ist: Offenbar hat der Einschlag eines weiteren großen Himmelskörpers einen der Planeten entscheiden verändert. Solche kosmischen Katastrophen könnten demnach eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Planeten spielen, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Astronomy“.

„Exoplaneten, die kleiner als drei Erddurchmesser sind, zeigen eine erstaunlicher Diversität“, schreiben Aldo Bonomo vom Astrophysikalischen Observatorium Turin in Italien und seine Kollegen. „Ihre Dichte reicht von neptunähnlichen Werten mit einem hohen Anteil an leichten Elementen bis zur hohen Dichte von Gesteinsplaneten wie der Erde oder stark eisenhalten Planeten wie dem Merkur.“ Und das selbst dann, wenn diese Planeten ihre Sterne auf ähnlichen Bahnen umkreisen.

Als Beispiel für ihre Analyse haben die Forscher den Stern Kepler-107 gewählt, bei dem vier Planeten bekannt sind. Die Begleiter wurden vom Weltraumteleskop Kepler aufgespürt, weil sie von der Erde aus gesehen regelmäßig vor ihrem Stern vorüberziehen und dessen Helligkeit dabei geringfügig abschwächen. Aus diesen „Transits“ lassen sich zwar die Umlaufzeiten und die Größe der Planeten bestimmen, nicht jedoch ihre Masse. Dazu führten Bonomo und seine Kollegen sehr genaue spektroskopische Beobachtungen des Sterns durch. Genau genommen umkreisen nämlich nicht die Planeten den Stern, sondern Stern und Planeten umrunden den gemeinsamen Massenschwerpunkt. Auch der Stern bewegt sich also ein wenig, und dieses Taumeln spiegelt sich über den Dopplereffekt im Spektrum wieder.

Auf diese Weise lässt sich dann auch die Masse der Planeten ermitteln, da die Lage des Schwerpunkts und damit die Stärke der Taumelbewegung von den Planetenmassen abhängen. Und zusammen mit dem bekannten Durchmesser ergibt sich dann schließlich die Dichte. Wie sich zeigte, sind Kepler-107b und c zwar fast gleich groß, Kepler-107c besitzt aber eine mehr als doppelt so hohe Dichte. Die Strahlung des Sterns bietet dafür keine Erklärung: Der auf einer engeren Bahn kreisende Planet Kepler-107b war bei seiner Entstehung einer stärkeren Strahlung ausgesetzt, leichtere Elemente wären also eher verdampft und hätten einen dichteren Planeten hinterlassen.

Aldo Bonomo und seine Kollegen zeigen stattdessen, dass die Unterschiede zwischen diesen beiden Planeten im Einklang sind mit Computersimulationen großer Einschläge auf jungen Planeten. Bei solchen kosmischen Katastrophen wird ein signifikanter Teil des leichteren Silikatmantels ins All geschleudert – zurück bleibt dadurch ein insgesamt dichterer Planet. Solche großen Einschläge gelten in unserem Sonnensystem auch als Ursache der Entstehung des irdischen Mondes, sowie der ungewöhnlich eisenhaltigen Zusammensetzung des Planeten Merkur. Große Einschläge könnten also eine wichtige Rolle in der Evolution von Planetensystemen spielen, so die Forscher. Dann sollte es eine große Zahl dichter Planeten ähnlich Kepler-107c geben.

Quelle: doi.org/10.1038/s41550-018-0684-9

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