Das Problem mit der Masse

Die höchst erfolgreiche Radialgeschwindigkeitsmethode hat allerdings einen gravierenden Nachteil: die Masse eines Planeten lässt sich nur innerhalb gewisser Grenzen bestimmten. Wie stark ein Stern “wackelt” hängt nämlich auch vom Sichtwinkel auf das System ab. Schauen wir von der Erde aus gesehen exakt von “oben” auf das Exoplanetensystem, dann sehen wir den Stern überhaupt nicht wackeln. Beobachten wir das System hingegen von der Kante aus, dann beobachten wir den größten Effekt. Der Sichtwinkel lässt sich allerdings nur schwer bis überhaupt nicht bestimmen – die exakten Massen der Planeten sind also prinzipiell nicht bekannt. Die Massen, die veröffentlicht werden, sind auch immer nur “Minimumassen” – in Wahrheit sind sie wahrscheinlich höher. Über Planet HD 40307b  liest man beispielsweise überall (auch hier, zwei Absätze weiter oben) er hätte die vierfache Masse der Erde. Genaugenommen beträgt aber nur das Produkt aus Masse und dem Sinus des Sichtwinkels (M sin i) vier Erdmassen – dieser Wert gilt nur den optimalen Fall, in dem wir exakt auf die Kante des Systems schauen (i=90°). Beträgt der Sichtwinkel aber zum Beispiel nur 10°, dann hätte der Planet 23 Erdmassen – wäre also deutlich größer als der Gasplanet Neptun. Und HD 40307d – die “Super-Erde” mit der zehnfachen Erdmasse wäre dann noch deutlich größer und mit knapp 60 Erdmassen halb so groß wie Jupiter.

Bei aller Euphorie über die wirklich hervorragende technische Leistung dieser Entdeckung sollte man trotzdem vorsichtig sein, wenn man von “erdähnlichen” Planeten spricht. HD 40307 könnte anstatt von 3 “Super-Erden” auch von 3 größeren Gasplaneten umgeben sein.

Habitable Planeten

Viele Wissenschaftler und auf jeden Fall die Medien finden die Suche nach “habitablen” Planeten besonders interessant. Hier sucht man nach Planeten, die erstens erdähnlich sind – also eine feste Oberfläche und eine Atmosphäre haben – und sich zweitens genau im Richtigen Abstand vom Stern befinden, sodass die auf der Planetenoberfläche herrschende Temperatur flüssiges Wasser zulassen würde. Dieser Abstand hängt natürlich von der Größe und der Temperatur des Sterns (bzw. des Spektraltyps) ab. Zu nahe am Stern ist es zu heiß – zu weit weg, und man bekommt Eiswelten wie z.B. Pluto oder Titan in unserem Sonnensystem. Man muss also nicht nur nach kleinen Planeten suchen, sondern auch nach solchen, die den richtigen Abstand haben. Das folgende Bild zeigt eine schematische Übersicht darüber, wie die habitable Zone von der Masse des Sterns abhängt:

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Bei den sonnenähnlichen Sternen befindet sich diese bewohnbare Zone etwa 150 Millionen Kilometer (das entspricht einer Astronomischen Einheit) von der Sonnen entfernt. Das ist – zumindest aus der Sicht der Planetenentdecker – schon eine sehr große Entfernung. Um hier Planeten zu entdecken müssen sie im Allgemeinen deutlich größer sein als ein erdähnlicher Planet. Bei schwächer leuchtender Sternen ist die habitable Zone näher am Stern und die Chancen, dort kleine Planeten zu beobachten sind größer. HD 40307 ist ein Stern vom Spektraltyp K. Seine Temperatur ist also etwa um 2000 bis 3000 Grad geringer als die Sonne. Auch die habitable Zone liegt näher am Stern: etwa in einem Abstand von  75 Millionen Kilometern (0.5 Astronomischen Einheiten).

Die drei dort entdeckten Planeten befinden sich allerdings viel näher am Stern! Ihre Umlaufbahnen haben Radien von etwa 0.05, 0.08 und  0.14 Astronomischen Einheiten. Zum Vergleich: die große Halbachse der Bahn von Merkur, des sonnennächsten Planeten in unserem Sonnensystem, beträgt 0.39 Astronomische Einheiten – die drei Planeten um HD 40307 sind also ihrem Stern alle sehr viel näher als der Merkur unser Sonne. Und sie befinden sich alle weit außerhalb der habitablen Zone! Insofern ist auch das mit der Pressemeldung der Entdeckung verschickte Bild ein bisschen irreführend:

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Kommentare (7)

  1. #1 Andylee
    17. Juni 2008

    Wow!

    Toller Artikel!
    Damit rückt Star Trek ja mehrere Lichtjahre näher *zwinker*

    Achja: vor wenigen Tagen war im TV eine Doku über Stargate und Wissenschaft, also die wissenschaftliche Grundlage der in Stargate verwendeten Sci-Fi-Elemente.

    Leider habe ich hier jetzt ein Dilemma:

    Ich habe auch eine Doku über Star Trek und Wissenschaft.

    In der SG-Doku sind Reisen durch ein Wurmloch theoretisch möglich (auch wenn man dabei zerfetzt wird, aber das ist eh nicht bezweifelt worden) während das die Star Trek Doku ablehnt und sagt, Reisen durch Wurmlöcher seien generell unmöglich, von wegen des Zeithorizonts.

    Was ist jetzt richtig?

  2. #2 florian
    17. Juni 2008

    @Andylee: Also da muss ich mich erst näher informieren. Kommt ja auch ausserdem drauf an, wie du ne Zeitreise definierst 😉 In die Zukunft geht sicher (sagt ja die Relativitätstheorie) – allerdings ohne Wurmloch.
    Wurmlöcher sind ja sowieso eine total hypothetische Angelegenheit – da konkrete Aussagen zu machen ist knifflig.

    Ich persönlich halte Zeitreisen (in die Vergangenheit) sowieso für unmöglich – das verursacht einfach zuviele Paradoxien und ist von vorn bis hinten unlogisch 😉

  3. #3 Christian
    18. Juni 2008

    Auch die Viele-Welten-Hypothese halte ich für nicht sehr glaubhaft (damit wird u.a. versucht, Vergangenheitsreisen theoretisch, unter Umgehung der von Florian erwähnten Paradoxien, zu umgehen). Mag sein, dass sie sich aus der Quantenphysik ableiten läßt, aber das ist nur ein Teilaspekt davon, das man m.E. nicht so einzelnd betrachten darf.

  4. #4 L. Carone
    23. Juni 2008

    Äh Florian…HARPS ist ein Instrument des Genfer Observatoriums, wird von denen betrieben und ist lediglich an ein ESO-Teleskop angeschlossen. Die Genfer sind da zu Recht sehr stolz drauf und wären nicht so begeistert, wenn Du deren Instrument mal eben der ESO zuschreibst.

    https://obswww.unige.ch/Instruments/harps/Welcome.html

    Nicht böse sein, aber da muss ich eine Lanze für die Kollegen aus Genf brechen 😉

  5. #5 Florian Freistetter
    23. Juni 2008

    @Ludmila: Oh… Danke für den Hinweis! Werde ich gleich ändern.

    Hier steht allerdings: “HARPS is the ESO facility for the measurement of radial velocities with the highest accuracy currently available.”. Das hat mich ein bisschen verwirrt 😉

  6. @Florian: Ok, das mit HARPS ist ein bisschen komplex und offensichtlich wird im PR-Geschäft…sagen wir mal “unsauber” formuliert. Kein Mensch möchte hören: An dem Gerät war der, die, das und 10 andere Institute beteiligt. Natürlich war die ESO auch maßgeblich beteiligt. Ohne die ESO wäre es nicht gebaut worden. Aber Michel Mayor vom Genfer Observatorium ist der PI des Instrumentes und damit letztendlich verantwortlich und außerdem war das Observatorium auch während des Baus eigentlich federführend und das sehe ich als ausschlaggebend.

    Die Zeiten sind halt vorbei, in denen immer nur eine Firma, eine Institution, ein Staat alleine für ein wissenschaftliches Großprojekt verantwortlich zeichnen und deswegen kann jeder Partner mit einer gewissen Berechtigung behaupten: Das ist meins.

    Ich find das zwar nicht gut, aber es ist in der PR wohl leider so.

  7. #7 Yadgar
    Qal'a-ye Nil, Bergisch-Afghanistan (linksrheinische Exklave)
    4. August 2019

    Bei der Definition der realen Masse bei der Doppler-Methode ist dir ein Fehler unterlaufen: es muss heißen Untergrenze_Masse mal *Kehrbruch* des Sinus des Sichtwinkels!