Exotische Planeten aus Saphiren und Rubinen

21 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Kassiopeia umkreist ein Planet seinen Mutterstern in geringem Abstand in nur drei Tagen. Seine Bezeichnung lautet HD219134 b. Seine Masse entspricht knapp fünf Erdmassen. Damit gehört der Exoplanet zu den Supererden.

Doch im Gegensatz zur Erde hat er wahrscheinlich keinen massiven Kern aus Eisen, sondern ist reich an Kalzium und Aluminium. «Vielleicht schimmert er violett-rötlich wie Rubine und Saphire, denn das sind Aluminiumoxide, die auf diesem Planeten häufig vorkommen», sagt Caroline Dorn, Astrophysikerin am Institut für Computergestützte Wissenschaften (ICW) der Universität Zürich.

HD219134 b ist einer von drei Kandidaten, die wahrscheinlich einer neuen, exotischen Klasse von Exoplaneten angehören, wie Caroline Dorn und ihre Kollegen der Universitäten Zürich und Cambridge jetzt in der britischen Fachzeitschrift MNRAS berichten.

Die Forschenden untersuchen die Entstehung von Planeten mit theoretischen Modellen und vergleichen ihre Resultate mit den Daten von Beobachtungen. Man weiss, dass Sterne wie die Sonne bei ihrer Geburt von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben waren, in der sich die Planeten formten.

Gesteinsplaneten wie die Erde bildeten sich aus den festen Brocken, die übrig blieben, als sich die protoplanetare Gasscheibe auflöste. Diese Bausteine kondensierten aus dem Gasnebel, als sich die Scheibe abkühlte. «Normalerweise entstehen diese Bausteine in Regionen, wo gesteinsformende Elemente wie Eisen, Magnesium, Silizium auskondensiert sind», erklärt Dorn.

Die daraus gebildeten Planeten zeigen eine erdähnliche Zusammensetzung mit einem Eisenkern. Die meisten der bisher bekannten Supererden sind in solchen Regionen entstanden.

Zusammensetzung von Supererden ist vielfältiger als gedacht

Doch es gibt auch Bereiche nahe am Stern, wo es viel heisser ist. «Dort befinden sich manche Elemente noch in der Gasphase und die Planetenbausteine haben eine völlig andere Zusammensetzung», sagt die Astrophysikerin. In ihren Modellen berechnete die Forschungsgruppe, wie ein Planet aussieht, der in einer solchen, heissen Region entstanden ist. Resultat: Kalzium und Aluminium werden neben Magnesium und Silizium zu Hauptbestandteilen, Eisen gibt es kaum.

«Deshalb können solche Planeten beispielsweise kein Magnetfeld wie die Erde haben», sagt Dorn. Und weil die innere Struktur so anders ist, werden sich auch ihr Abkühlverhalten und die Atmosphären von denjenigen der normalen Supererden unterscheiden. Die Forschenden sprechen deshalb von einer neuen, exotischen Klasse von Supererden gebildet aus Hochtemperatur-Kondensaten.

Spannend sei, dass diese Objekte völlig anders als die Mehrheit der erdähnlichen Planeten seien, sagt Dorn, «falls es sie tatsächlich gibt». Die Wahrscheinlichkeit ist gross, wie die Astrophysiker in ihrer Arbeit ausführen. «Wir haben in unseren Berechnungen gefunden, dass diese Planeten 10 bis 20 Prozent geringere Dichten aufweisen als die Erde», erklärt die Erstautorin.

Genau solche, bereits bekannte Exoplaneten mit etwas geringeren Dichten analysierte das Team in der Folge näher. «Wir haben jeweils verschiedene Szenarien angeschaut, mit denen sich der beobachtete Wert erklären liesse», sagt Dorn. So könnte eine dicke Atmosphäre zu einer insgesamt kleineren Dichte führen. Doch zwei der untersuchten Exoplaneten, 55 Cancri e und WASP-47 e, umkreisen ihren Stern so nahe, dass ihre Oberflächentemperatur fast 3000 Grad beträgt und sie diese Gashülle schon längst verloren hätten.

«Auf HD219134 b ist es weniger heiss und die Situation etwas komplizierter», erklärt Dorn. Auf den ersten Blick liesse sich die geringere Dichte beispielsweise auch durch tiefe Ozeane erklären, wäre da nicht ein zweiter Planet, der den Stern etwas weiter draussen umkreist. Ein Vergleich der beiden Objekte ergab, dass der innere Planet nicht mehr Wasser oder Gas enthalten kann. Unklar ist noch, ob Ozeane aus Magma zur geringeren Dichte beitragen können.

«Damit haben wir drei Kandidaten gefunden, von denen wir annehmen können, dass sie zur neuen Klasse von Supererden mit dieser exotischen Zusammensetzung gehören», fasst die Astrophysikerin zusammen. Die Forschenden korrigieren damit auch ein früheres Bild der Supererde 55 Cancri e. Diese hatte 2012 Schlagzeilen gemacht als «Diamant am Himmel».

Forscher hatten angenommen, dass der Planet zu einem grossen Teil aus Kohlenstoff besteht, mussten diese Theorie aber aufgrund nachfolgender Beobachtungen aufgeben. «Wir machen den vermeintlichen Diamant-Planeten nun zum Saphir-Planeten», lacht Dorn.

Dr. Caroline Dorn
Institute for Computational Science, Instiut für (ICS)
University of Zurich
Phone. +41 44 63 56193
cdorn@physik.uzh.ch

C. Dorn, J.H.D. Harrison, A. Bonsor, T. Hands: “A new class of super-Earths formed from high-temperature condensates: HD219134 b, 55 Cnc e, WASP-47 e”, MNRAS. 19 December 2018. Doi: 10.1093/mnras/sty3435

https://www.news.uzh.ch/de/articles/2018/Exoplanets.html