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Die Suche nach Exoplaneten, die vor ihrem Stern durchziehen, hat 2009 auch zwei Planeten mit Massen zwischen jenen von Erde und Neptun hervorgebracht. Ein Vergleich der beiden Welten lässt interessante Schlussfolgerungen zu.
Die Suche nach Exoplaneten-Transits, also das schwache Abdunkeln eines Sterns durch einen ihn umkreisenden (vor der Sternscheibe durchziehenden) extrasolaren Planeten hat sich im letzten Jahrzehnt zu einer erfolgreichen Entdeckungsmethode von Exoplaneten entwickelt. Mit den Weltraumteleskopen Corot und Kepler befinden sich nun auch gerade zwei Planetenjäger in der Erdumlaufbahn, die auf dieser Methode basieren und tausende von Sternen gleichzeitig auf Anzeichen einer vorübergehenden, periodischen Abdunklung untersuchen. Diese Teleskope sind so empfindlich, dass sie nicht nur wie bisher riesige Gasriesen vom Durchmesser Jupiters (oder mehr) entdecken können, sondern auch kleinere Planeten, bis hinunter zur Grösse der Erde. Daneben sind auch auf dem Erdboden verschiedene Teams an der Suche solcher „kleiner“ Transit-Planeten beteiligt.
Exoplaneten werden seit den den Neunziger Jahren des 20. Jahrhunderts entdeckt, heute sind es bereits über 400 bekannte extrasolare Welten. Darunter sind mittlerweile auch einige sogenannte „Supererden“, definitionsgemäss Planeten mit einer Masse zwischen einer und zehn Erdmassen. Der leichteste bisher bekannte Exoplanet hat eine Masse von gerademal zwei Erdmassen. Da die Erde vornehmlich aus Gestein besteht, Neptun (der rund 17 Erdmassen schwer ist) jedoch vorwiegend aus Eis und Gasen, müssen wir – so die übliche Argumentation – uns diese „Supererden“ als Zwischenglieder vorstellen, mit grossen Gesteinskernen und dichten Atmosphären. Es wird aber natürlich – insbesondere ausserhalb der wissenschaftlichen Literatur – auch schon mal die Vermutung geäussert, es würde sich bei diesen Welten um übergrosse Versionen der Erde handeln, womöglich mit grossen Kontinenten, warmen Meeren und atembaren Atmosphären. Der Medienhype, der im Jahr 2007 auf die Entdeckung der 5-Erdmassen-„Supererde“ Gliese 581 c (und deren 8-Erdmassen-Nachbarwelt Gliese 581 d) folgte, liess den unbedarften Leser vermuten, man hätte hier eine weit entfernte, „zweite Erde“ entdeckt.
Zwei Entdeckungen aus diesem Jahr lassen diese ins Kraut schiessenden Schlussfolgerungen nun nicht mehr so gut aussehen. Zum einen hat das Corot-Teleskop die Welt „Corot-7-b“ entdeckt, eine wahre „Super-Erde“: Mit 1.7 Erddurchmessern (ca 21700 km) ist sie nur ein wenig grösser als die Erde. Zusammen mit den 4.8 Erdmassen führt dies zu einer Dichte von 5.6 Gramm pro Kubikzentimeter – diese Dichte stimmt gut mit jener der Erde überein. Es handelt sich bei Corot-7-b also mit grosser Sicherheit um einen „Felsplaneten“, auf dem die Atmosphäre nur einen kleinen Teil zur Masse beiträgt. Corot-7-b kreist aber so nahe um seinen Stern, dass die Oberflächentemperatur nahezu 2000 Grad betragen muss. Vermutlich zeigt der Planet seinem Stern auch immer die gleiche Seite, so dass auf der Tagseite Lava schmilzt, während auf der Nachtseite die Temperaturen auf rund 50 Kelvin (-220 Grad Celsius) sinken.
Die zweite interessante Entdeckung wurde erst vor wenigen Tagen von einem Forscherteam angekündigt, das „bodengestützt“ arbeitet. Der Rote Zwergstern GJ 1214 wird von einem Planeten mit 6.5 Erdmassen umkreist. Dieser Planet zieht regelmässig vor seinem Stern durch, so dass auch hier die Bestimmung des Durchmessers möglich wird. Mit 2.7 Erdradien (rund 34000 km) ist der Planet einiges grösser als Corot-7-b – doch mit rund 200°C Oberflächentemperatur auch deutlich „kühler“. Doch die so berechnete Dichte von GJ 1214 b liegt weit unter jener, die man für einen Felsplaneten erwartet. Diese Welt enthält, so die beteiligten Forscher, entweder eine dichte Atmosphäre aus superkritischem „Wasserdampf“, die einen wesentlichen Anteil an der Gesamtmasse des Planeten hat, oder gar eine Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium, ähnlich wie die Gasriesen im Sonnensystem. Auf jeden Fall ist dies keine erdähnliche Welt: die Temperaturen und der Druck an der vermeitnlichen „Oberfläche“, also dem Übergang zwischen dem Gesteinskern und dem Wasserdampf/Eis-Mantel, müssen unerträglich hoch sein. Das ist keine „Super-Erde“, eher ein „Sub-Neptun“.
Der Vergleich der beiden Welten zeigt, wie wichtig die Oberflächentemperatur (beziehungsweise, die „Equilibrium-Temperatur“ an der Oberseite der Atmosphäre) für die Entwicklung eines Planeten ist. Bei Corot-7-b liegt die Temperatur mit 2000 Grad so hoch, dass praktisch alle flüchtigeren Stoffe wie Wasserstoff, Helium, aber auch Wasserdampf und Kohlendioxid ins All entwichen sein müssen. Diese Welt ist nur noch von einer vergleichsweise dünnen Atmosphäre umgeben, die durch die ständige vulkanische Aktivität an ihrer Oberfläche „nachgefüllt“ wird. Man könnte auch sagen, diese Welt sei der zurückgebliebene „nackte“ Gesteinskern eines ehemaligen, neptunähnlichen Riesenplaneten. GJ 1214 b hingegen ist deutlich kühler – bei diesen Equilibrium-Temperaturen können die oben genannten Gase nicht entweichen und bleiben in der dichten Atmosphäre des Planeten gefangen. Dies zeigt uns: die „Supererden“, die in den letzten 10 Jahren entdeckt wurden, müsste man wegen ihres hohen Gas-Anteils eigentlich eher als „Sub-Neptune“ bezeichnen, die ihre dichten Gashüllen, wenn überhaupt, erst unter der unerbittlichen Strahlung in der Nähe ihres Sterns verlieren. Auch die 5- bzw 8-Erdmassen-Planeten Gliese 581 c und d fallen unter diese Regel: auch dort dürfte man, nach der Entdeckung von Corot-7-b und GJ 1214 b, nicht mehr von grossen „Erden“ ausgehen, sondern eher von „kleinen Neptunen“.
Leben können wir auf solchen Welten mit ihren dichten Atmosphären nicht ohne weiteres vermuten (es müsste sich von jenem der Erde auf jeden Fall stark unterscheiden), komplexes Leben schon gar nicht. Denn komplexes Leben braucht – zumindest auf der Erde – eine externe Energiequelle, die eine grössere Energiedichte hat als das Sonnenlicht (deshalb fressen Tiere ja auch Pflanzen). Auf der Erde wird dies durch einen relativ hohen Sauerstoffpartialdruck von rund 21% ermöglicht. Auf einer Welt, deren Atmosphäre hundert mal dichter ist als jene der Erde (wobei wir auch dann erst bei der Dichte der Atmosphäre unseres 0.8-Erdmassen-Nachbarplaneten Venus wären! Echte „Supererden“ bzw „Subneptune“ hätten wohl noch viel dichtere Atmosphären), dauert es auch rund 100 Mal länger, bis die Atmosphäre von Bakterien mit dem gleichen Sauersoffpartialdruck angereichert worden ist. Auf der Erde dauerte dies rund zwei Milliarden Jahre – und die wenigsten Sterne werden überhaupt zweihundert Milliarden Jahre alt. Zudem dürfte nach zweihundert Milliarden Jahren auch ein so grosser Planet geologisch erkaltet sein, so dass sich kein aktiver geologischer Zyklus, wie er für die klimastabilisierenden Feedbackmechanismen nötig ist, mehr entwickeln kann. Dies ist auch durchaus eine mögliche Lösung für das „Rote-Zwerge-Paradoxon“, das ich auch schon behandelt habe.
Es zeichnet sich auch immer mehr ab, dass die Erde auch hier wieder einmal mehr ein Exot unter den Planeten ist. Bereits die Venus hat, wie oben erwähnt, eine rund hundert Mal dichtere Atmosphäre als die Erde, obwohl sie sogar etwas weniger Masse hat, um diese Atmosphäre zurückzuhalten (die Atmosphäre der Erde wäre auch dichter, wenn durch die Anwesenheit von Wasser nicht so viel CO2 in Kalkgesteinen gebunden worden wäre. Aber selbst wenn man all dieses CO2 freisetzen würde, wäre die Erdatmosphäre immer noch nur halb so dicht wie jene der Venus). Die Atmosphären von Neptun und Uranus, die schätzungsweise jeweils ein Viertel der Planetenmasse ausmachen, sind bereits so dicht, dass keine so definierbare feste Oberfläche exisiert. Gleiches gilt offenbar, wie diese neusten Exoplaneten-Entdeckungen zeigen, für Supererden (solange sie nicht von ihrem Stern auf 2000 Grad geheizt werden). Warum hat die Erde eine so massearme Atmosphäre – die gleichzeitig offenbar Vorbedingug für die Sauerstoffanreicherung und damit der Entstehung von komplexem Leben war? Hat die Erde in ihrer Frühzeit vergleichsweise wenig Kometen und Asteroideneinschläge abbekommen, die ihr diese flüchtigen Stoffe brachten? Oder ist dies vielleicht eine Folge der superheissen Kollision mit dem Protoplaneten „Theia“, aus der der Mond hervorging? Einmal mehr zeigt sich, von welcher zentralen Bedeutung die Erforschung von Exoplaneten für unser menschliches Selbstverständnis ist.