Keplers Kandidaten machen mehr Mathe möglich

Mit der Veröffentlichung von 1200 Kandidaten des Kepler-Projekts (siehe Cosmic Mirror #325 und ISAN 91-7) ist vor drei Wochen die Exoplaneten-Kunde in eine gänzlich neue Ära eingetreten: Auch wenn nur in den wenigsten Einzelfällen detaillierte Aussagen über die fremden Planetensysteme möglich sind (so sind in der Regel nur Durchmesser aber keine Massen und damit Dichten und Informationen über die Beschaffenheit bekannt), so erlaubt die schiere Menge der Kandidaten – die zu 90 bis 95 Prozent echte Planeten sein dürften – eine Fülle statistischer Analysen: siehe ISAN 128-9, 129-7 und 130-5 zu ersten Impressionen aus der Kepler-Welt des Jahres 2011. Eine Übersicht der bisherigen Erkenntnisse, immer schön mit Literaturzitaten belegt, wie sich das ja gehört:

• Zunächst einmal gibt es gute Gründe für die Annahme, dass nur 5 bis 10 Prozent der Kepler-Planetenkandidaten „falsch positiv“ sind, also von einem anderen astrophysikalischen Phänomen vorgetäuscht werden. (Das könnte ein Bedeckungsveränderlicher sein, bei dem ein Stern den anderen nur streifend bedeckt, ein Zwergstern, der vor einem Riesen her zieht, oder es steht ein Bedeckungsveränderlicher fast exakt in derselben Richtung; gegen letzteres hilft die BLENDER-Software.) Für statistische Aussagen darf man also locker behaupten, die 1200 Kepler-Kandidaten wären wirklich allesamt Exoplaneten.

• Die Analyse der Lichtkurven der 156’453 Sterne, die Kepler überwacht, ist fortwährend verbessert worden, so dass die meisten der 1202 Kandidaten der aktuellen Liste sehr überzeugend sind (hunderte enttarnte Nieten sind in eine andere Liste abgeschoben worden). Nach der Korrektur bekannter Auswahleffekte lässt sich nunmehr sagen, dass etwa 6% der beobachteten Sterne Planeten von ungefährer Erdgröße besitzen, 7% Supererden, 17% Neptune und 4% Jupiters.

• Damit haben 34% der überwachten Sterne im Mittel mindestens einen Planeten(kandidaten) mit einer großen Bahnhalbachse unter 0.5 AU. Diese Aussage passt gut zu einer Hochrechnung (siehe ISAN 123-9) aufgrund einer systematischen Exoplanetensuche per Radialgeschwindigkeit, einer zu Keplers Transit-Technik völlig komplementären Methode: Die Angaben zur Häufigkeit von Planeten bestimmter Größenintervalle stimmen jeweils bis auf einen Faktor ~2 überein.

• Planeten kommen selten allein: Aus o.g. Kepler-Hochrechnung folgt, dass 17% der Sterne haben mindestens 2 Planeten besitzen bzw. 34% aller Kandidaten zu einem Mehrfachsystem gehören. Ingesamt weisen 170 der Kepler’schen Planetensysteme mindestens 2 Kandidaten im Transit auf, der aktuelle Rekord liegt bei den sechs Planeten des Systems um Kepler 11, die alle dicht gepackt und in praktisch derselben Ebene umlaufen.

• Praktisch alle Mehrfachsystem sind stabil, und die Umlaufszeiten-Verhältnisse häufem sich in der Nähe ganzzahliger Resonanzen (v.a. 2:1) – ein weiteres Indiz, dass die Kandidaten nicht nennenswert mit falsch positiven durchsetzt sind, die das klare Bild stören würden. Die Zahl der Zwei- und Mehrfachsysteme liegt dramatisch höher als man zufällig erwarten würde: Planeten kommen gerne „in Paketen“, und wenn man einen gefunden hat, ist er nicht gern allein.

• Viele der Keplerplaneten in Mehrfachsystemen stören gegenseitig ihre Bahnen, was sich durch Transit Timing Variations bei 13-20% der Fälle bemerkbar macht, wo man diesen Effekt nachweisen können sollte. Aus TTVs lassen sich oft die Massen der beteiligten Planeten ausrechnen, ohne dass man Messungen der Radialgeschwindigkeit des Sterns hat: Nur auf diese Weise wurden 5 der 6 Planeten von Kepler 11 eindeutig als solche erkannt. Bessere TTV-Daten sind ein entscheidendes Argument für eine Verlängerung der Kepler-Messungen auf mindestens 6 Jahre; nach derzeitigem Plan ist die Mission Ende 2012 zuende.

• Aus Details der Transit-Lichtkurven lassen sich auch Rückschlüsse über die Bahnexzentrizitäten ziehen, wenn auch derzeit nur statistisch. All dies findet sich in Papers des Kepler-Teams selbst, aber auch andere haben die Daten schon in der Mangel und sehen z.B. – ganz neu – eine Korrelation von Sternmetallizität und Planetenhäufigkeit erstmals auch bei Planeten geringer Masse. Die langen Kepler-Tabellen werden sicher im Moment auch von vielen anderen ausgewertet; ungewöhnliche Visualisierungen gibt es schon.

Und wie viele Planeten – und insbesondere „bewohnbare“ – existieren denn nun in der Milchstraße? Auch wenn die Kepler-Forscher sind zunächst nicht zu Hochrechnungen bereit gewesen waren, kamen sie jetzt auf einer Tagung doch mit Zahlen rüber. Rund 50 Milliarden Planeten sollten es demnach sein, davon 500 Mio. in der habitablen Zone – jeder 200. Stern der Milchstraße hat einen ‚habitablen‘ Planeten, wobei das noch lange nicht heißt, dass diese Welt auch wirklich lebensfreundlich wäre. Und was es braucht, damit Leben überhaupt beginnt, ist eh eine der großen ungelösten Fragen der Naturwissenschaft. Derweil kann man – anhand einer willkürlichen Formel – fremden Welten einen ‚Wert‘ zuschreiben, der auch ihre Erreichbarkeit einschließt: Am besten schneidet unter allen Exoplaneten das Kepler Object of Interest 326.01 ab, die kleinste der Kepler-Kandidatenwelten in der habitablen Zone … NACHTRAG: … der allerdings bald wieder zurückgezogen werden musste, die Daten über seine Sonne waren falsch.