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Wie das Planetenalter den Wassergehalt verrät
Wasser ist notwendig für Leben, wie wir es kennen, aber zu viel Wasser ist lebensfeindlich. Deshalb ist bei extrasolaren Planeten die Bestimmung des Wasseranteils entscheidend, wenn man deren Lebensfreundlichkeit untersuchen will. Yann Alibert, wissenschaftlicher Koordinator von PlanetS, konnte zeigen, dass man Beobachtungen von Exoplaneten unterschiedlichen Alters dazu benutzen kann, den Wassergehalt statistisch einzugrenzen – ein wichtiges Resultat für künftige Weltraum-Missionen.
Mit Weltraumteleskopen können die Astronomen den Radius von Exoplaneten messen, die bei so genannten Transiten vor ihrem Mutterstern hindurchziehen. Wenn man auch deren Masse kennt, lässt sich die Dichte einfach berechnen. Dies bedeutet aber nicht, dass man dann auch weiss, woraus das Objekt genau besteht. Yann Alibert, Leiter der ERC-Gruppe PLANETOGENESIS an der Universität Bern, erklärt: „Eine mittlere Dichte kann heissen, dass der Planet Wasser enthält, aber es könnte sich auch um eine Kombination von Silikaten und Eisen mit hoher Dichte und Gas mit niedriger Dichte handeln.“
Neben der Masse und der Grösse benötigen die Forscher einen zusätzlichen, dritten Wert, um herauszufinden, ob Exoplaneten wasserreich oder wasserarm sind. Doch was könnte dies sein? Fast zufällig fand Yann Alibert eine Lösung. Als er vor zwei Jahren zu einem Vortrag an einer Konferenz eingeladen wurde, versuchte er herauszufinden, wozu es nützlich sein könnte, das Alter der Sterne zu kennen, die vorüberziehende Exoplaneten beherbergen. Gemäss gängiger Theorie entstehen die Planeten zusammen mit ihren Sternen; deshalb nimmt man an, dass ein Exoplanet ungefähr gleich alt wie sein Mutterstern ist.
„Es ist ähnlich, wie wenn man eine Gruppe Menschen beobachtet“, sagt Yann Alibert: „Man sieht, wie gross und wie schwer sie sind, und versucht zu überlegen, was man herausfinden könnte, wenn man ihr Alter wüsste – vielleicht, dass junge Leute im allgemeinen mehr Muskeln haben.“ Wie könnten die Masse, der Radius und das Alter eines Exoplaneten Informationen über seine innere Struktur enthüllen? Um diese Frage zu beantworten, berechnete der Astrophysiker, wie sich verschieden aufgebaute Planeten über Jahrmilliarden entwickeln. „Wir zeigten: Selbst wenn zwei Planeten zu einem bestimmten Zeitpunkt den gleichen Radius und die gleiche Masse haben, so haben sie zu einem anderen Zeitpunkt normalerweise nicht den gleichen Radius“, schreibt der Forscher in seiner Arbeit, die jetzt in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ online veröffentlicht wurde.
Der Astrophysiker berechnete, dass die zeitliche Entwicklung des Planetenradius davon abhängt, aus wieviel Wassereis der Himmelskörper besteht. Ändert sich der Eisgehalt in einem Planeten, so ändert sich auch seine mittlere Wärmekapazität und seine Gravitationsenergie. Dieser Energieunterschied bedeutet, dass die Rate, mit der sich der Planet abkühlt und zusammenzieht, verschieden ist, je nachdem, ob der Planet wasserreich oder wasserarm ist. Dies ist der Grund für die Differenz beim Radius. Der Unterschied ist zwar klein, aber gross genug, um statistisch messbar zu sein, wenn man zwei Gruppen von Planeten mit ähnlicher Masse aber verschiedenem Alter vergleicht.
„Kurz gesagt, beobachtet man eine Gruppe von Planeten, die 5 Milliarden Jahre alt sind“, erklärt Yann Alibert: „Dann beobachtet man eine ähnliche Gruppe von Planeten, die beträchtlich jünger sind, beispielsweise 500 Millionen Jahre alt, und dann vergleicht man ihre Radien. Daraus kann man abschätzen, wie schnell sich die Planeten zusammenziehen, und dies in Beziehung zum Wasseranteil in den Himmelskörpern stellen. So kann man beweisen, dass einige Planeten wasserreich sind.“ Was einfach tönt, ist ziemlich kompliziert. „Die Idee ist tatsächlich recht intuitiv, aber die Statistik in der Arbeit ist nicht einfach“, gibt der Forscher zu. In seinem Modell untersuchte er relativ kleine Planeten von der Grösse von Super-Erden bis zu Neptun-artigen Objekten, aufgebaut aus vier Schichten: einem Kern, einem Silikatmantel, einem Eismantel und einer Gashülle. Dabei berechnete er Hundertausende von Modellen der inneren Planetenstruktur.
Trotz weiterer Annahmen und Näherungen ist Yann Alibert überzeugt, dass künftige Weltraum-Missionen zur Beobachtung von Exoplaneten-Transiten den berechneten Effekt messen werden: „Transit-Beobachtungen, wie sie CHEOPS, TESS oder PLATO durchführen werden, können mit Hilfe dieses Modells statistische Einschränkungen der Planetenzusammensetzung liefern, vorausgesetzt man kennt das Sternenalter genügend genau, und man kann eine ausreichende Zahl von Planeten beobachten, deren Masse und Radius genügend präzis sind.“ Dies sollte dazu beitragen, dass man die Planetenentstehung und die potentielle Lebensfreundlichkeit besser versteht. (bva)
Y. Alibert: Constraining the volatile fraction of planets from transit observations, A&A,
http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201425458
Kitzmann, Alibert, et al:: The unstable CO2 feedback cycle on ocean planets, MNRAS, 2015
http://dx.doi.org/10.1093/mnras/stv1487
Y.Alibert: On the radius of habitable planets, A&A, 2014
http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201322293