Trend der Super-Erden: mehr Größe ↔ mehr Gas

Wie zu Beginn jeden Jahres steigt diese Woche die weltgrößte jährliche Astronomen-Tagung, die AAS 223 mit rund 3000 Teilnehmern: An dem Treiben kann man auch über eine Flut von Tweets teilhaben, oder über Webcasts von Pressekonferenzen. Deren zweite heute brachte allerlei neue Statistiken zu den Super-Erden bzw. Mini-Neptunen, die – eine Überraschung – das Gros der Exoplaneten auszumachen scheinen: 3/4 aller Kepler-Entdeckungen haben zwischen Erd- und Neptun-Durchmesser, und hundert Sterne haben zusammen etwa 30 Super-Erden. Und man muss sich mit ihrer Natur auseinandersetzen, denn 15 bis 22 Prozent aller sonnenähnlichen Sterne besitzen – laut den Daten des Kepler-Satelliten – Planeten von 1 bis 2 Erddurchmessern in ihren habitablen Zonen. Woraus aber bestehen diese?

Diese Analyse basiert auf 42 kleinen Planeten, die Kepler im Transit entdeckte und in Sachen Durchmesser vermaß und für die dann per Radialgeschwindigkeit auch die Massen bestimmt wurden: Zum ersten Mal wird klar, dass die Supererden in zwei klar getrennte Gruppen zerfallen. Mit wachsendem Durchmesser nimmt ihre Dichte erst zu – aber dann wieder ab. Das kann nur bedeuten, dass sich um ihren felsigen Kern (den auch noch Wasser einhüllen mag) mit steigender Masse immer mehr Wasserstoff und Helium ansammelt: Die Mini-Neptune sind demnach wirklich kleine Neptune. Die Kepler-Daten bestätigen auch auf’s Beste die Theorie der planetaren Körper: Wenn man auf einen felsigen Körper immer mehr Material häuft, wird er durch dessen Eigengravitation immer dichter und kann nie mehr als den doppelten Erddurchmesser erreichen – und genau so ist es.

Das gleiche Bild ergibt sich auch bei der Auswertung von Transit Timing Variations, bei denen sich die Bahnen mehrerer Kepler-Planeten gegenseitig stören und so ebenfalls die Massen der beteiligten Körper verraten: In rund 60 Fällen ist dies bereits gelungen. Wieder zeigt sich von 1.5 Erddurchmessern aufwärts ein klarer Trend: Die Dichte – hier logarithmisch aufgetragen – fällt rasant mit wachsendem Durchmesser. Erneut ist die Schlussfolgerung, dass es einen felsigen Kern aber eine zunehmende Menge Gas gibt.

Allerdings gibt es für einen gegebenen Durchmesser eines (Exo-)Planeten immer noch eine große Bandbreite möglicher Dichten: Da wäre z.B. der Fall KOI-314c, der äußerste der drei bekannten Planeten dieses Kepler-Systems, der mit dem mittleren in einer 5:3-Resonanz steht, was zu starken TTVs und damit klaren Massenbestimmungen der beiden führt. In dem Diagramm hier sind ihre Durchmesser gegen ihre Massen aufgetragen KOC-314c (lila Kreuz) hat zwar eine Erdmasse – genauer 1.0±0.3, was ihn zum leichtesten Exoplaneten mit bekannter Größe macht – aber 1.6 Erddurchmesser und damit eine viel geringere Dichte als die Erde und damit eine ausgedehnte Gashülle, während KOI-341b (gelbes Kreuz) eine felsige Natur hat. Auch noch auf der PK diskutiert wurde die Atmosphäre der Supererde GJ 1214b (Artikel hier und hier und mehr Links), die nach intensiven Hubble-Durchleuchtungen (15 Transits, 60 HST-Orbits, 4 Tage Messzeit insgesamt – ein Hubble-Rekord für einen einzelnen Exoplaneten) nur mit Wolken modelliert werden kann, die die Sicht auf tiefere Atmosphärenschichten nimmt. NACHTRÄGE: ein PR zu den TTV und Artikel zur Super-Erden-Statistik, dem Fall KOI-314c und dem Gesamtbild.

Schlagwörter: Exoplaneten, Mini-Neptune, Supererden