Über “Supererden” habe ich schon sehr oft berichtet. Diese spezielle Klasse von Planeten ist ja auch höchst interessant! Es handelt sich um felsige Planeten mit einer festen Oberfläche, die aber deutlich größer sind als unsere Erde. In unserem Sonnensystem gibt es so etwas nicht; hier ist die Erde selbst der größte Gesteinsplanet (und es interessant sich zu überlegen, warum das so ist). Aber bei anderen Sternen haben wir schon viele dieser Himmelskörper entdeckt.

Ihre Entstehung gibt uns aber immer noch ein paar Rätsel auf. Denn das klassische Bild der Planetenentstehung kann die Existenz mancher Supererden nicht erklären. Diese Himmelskörper haben typischerweise einen Radius der zwischen dem 1 und dem 4fachen des Erdradius liegt und Massen zwischen dem 2 und 20fachen der Erdmasse. Damit sollten einige von ihnen aber gar keine Gesteinsplaneten mehr sein, sondern sich längst zu Gasplaneten entwickelt haben.

Die Erde (rechts) und ein paar künstlerische Darstellungen bekannter Supererden (Bild: NASA Ames/JPL-Caltech)

Die Erde (rechts) und ein paar künstlerische Darstellungen bekannter Supererden (Bild: NASA Ames/JPL-Caltech)

Planeten entstehen aus einer Scheibe voll Gas und Staub die einen jungen Stern umgibt. Das Material ballt sich zusammen und bildet Planeten. Zuerst entstehen Kerne aus Gestein und erst wenn die groß genug werden, entwickeln sie genug Anziehungskraft, um auch das Gas festhalten zu können. Je mehr Gas sie ansammeln, desto schwerer werden sie und desto mehr Anziehungskraft haben sie, um noch mehr Gas festzuhalten. Es gibt eine Art Schneeball-Effekt, an dessen Ende dann riesige Gasplaneten wie Jupiter oder Saturn stehen, die fast nur noch aus reiner Atmosphäre bestehen und höchstens in ihrem Inneren noch einen kleinen Gesteinskern haben (obwohl der auch verschwunden sein kann).

Viele Supererden haben Massen, die eigentlich zu genau so einem Wachstum führen hätten sollen. Sie sollten eigentlich längst im Inneren einer riesigen Gashülle stecken. Stattdessen sind sie Gesteinsplaneten geblieben, die eine vergleichsweise dünne Atmosphäre haben. Eine der offenen Fragen lautet also: Warum sind so viele Supererden keine Jupiter geworden? Eine Antwort auf diese Fragen haben Eve Lee und Eugene Chiang von der Universität Berkeley in Kalifornien in einer kürzlich veröffentlichten Arbeit vorgeschlagen (“Breeding Super-Earths and Birthing Super-Puffs in Transitional Disks”).

In Modellrechnungen und Computersimulationen zeigen sie, dass sich die Entstehung der großen Supererden erklären lässt wenn man davon ausgeht, dass sie sich erst spät während der Phase der Planetenentstehung gebildet haben. Das klingt auf den ersten Blick logisch: Je länger die Planetenentstehung schon andauert, desto weniger Gas ist in der Scheibe vorhanden, das eine Supererde zu einem Jupiter machen kann. Die Details sind aber knifflig. Wie schnell ein Planet zum Beispiel Gas aus einer Scheibe an sich ziehen kann, hängt von der Temperatur des Gases ab und vor allem seiner Fähigkeit, sich abzukühlen. Je heißer das Gas, desto stärker ausgedehnt ist die Atmosphäre eines Planeten. Kühlt es ab, schrumpft die Atmosphäre und es ist Platz, damit der Planet neues Material aus der Scheibe in seinen Einflussbereich ziehen kann. Die Kühlungseigenschaften des Gas werden nun aber von der Art und Menge des Staubs beeinflusst, mit dem es vermischt ist. Hinzu kommt noch die Wechselwirkung zwischen den entstehenden Planeten und dem Gas/Staub, die dazu führt, dass die Planeten durch die Scheibe wandern (diese planetare Migration habe ich hier ausführlich erklärt) und in Regionen gelangen, in denen andere Bedingungen herrschen. Denn natürlich ist die Menge von Gas und Staub und ihr Verhältnis nicht überall in der Scheibe identisch! All das muss in den Modellen entsprechend berücksichtigt werden, wenn man das Problem verstehen will.

Lee und Chiang hatten zuerst die Möglichkeit untersucht, ob sich die Supererden vielleicht in Scheiben mit sehr viel Staub gebildet haben. Dann würden die Atmosphären sich nur langsam abkühlen und daher auch nur langsam anwachsen. Das hat sich aber als unbrauchbarer Mechanismus herausgestellt, weil dann die Masse des Staubes selbst durch ihre Anziehungskraft das durch die Wärme verlangsamte Wachstum ausgeglichen hätte. Die zweite Möglichkeit: Die Supererden entstehen in Scheiben in denen nur noch wenig Gas vorhanden ist. Beziehungsweise in Bereichen, in denen nur noch wenig Gas vorhanden ist. Das ist besonders in der Nähe des Sterns der Fall. Hier wird viel Gas direkt vom Stern beeinflusst und entweder hinaus in den Weltraum geschleudert oder direkt auf den Stern gezogen. Ist genügend Gas verschwunden können die sich dort gebildeten Planetenkerne zu größeren Planetenkernen verschmelzen. Von den immer noch gasreichen äußeren Regionen der Scheibe können weiterhin kleinste Mengen in die innere Scheibe gelangen, was – zumindest laut Modell – ausreicht, um zu erklären wie sich so Supererden bilden können.

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Kommentare (24)

  1. #1 Crazee
    4. November 2015

    Danke für diesen neuen Tropfen Wissen.

  2. #2 Wolfgang Lafferthon
    Hamburg
    4. November 2015

    Danke für diesen sehr schönen und informativen Beitrag.

  3. #3 Alderamin
    4. November 2015

    Wieder was gelernt. Super-Puffs 😆 Ein deutscher Name muss dringend her. “Riesenflausch” oder so.

  4. #4 McPomm
    4. November 2015

    Dass Gasplaneten mit Gesteinskern in der Größe von Supererden ihr Gas wieder verlieren, ist nicht möglich. Oder?

  5. #5 Orci
    4. November 2015

    Reisenflausch find ich klass – das klingt soooooo waaaaiiiiicccchhhhh 😉

  6. #6 Florian Freistetter
    4. November 2015

    @McPomm: Doch, sowas kanns auch geben. Wenn die – per Migration – zu nahe an einen Stern kommen, kann der im Laufe der Zeit die Atmosphäre abtragen, so dass nur der Kern übrig bleibt.

  7. #7 PDP10
    4. November 2015

    “Ein deutscher Name muss dringend her. “Riesenflausch” oder so.”

    Hmmm … Superfluffies?

    Oder etwas wissenschaftlicher:

    Übergrosse Planeten vom Flokati-Typ

    😉

  8. #8 AmbiValent
    4. November 2015

    Gar nicht so einfach… meine erste Idee war “Pusteblumenplanet” – aber das war viel zu lang. Dann “Schwammplanet” – aber das klingt eher nach Bob. Backgammon oder Trictrac klingt auch daneben. Da passt Riesenflausch schon besser.

  9. #9 Braunschweiger
    5. November 2015

    Der Name liegt doch nun auf der Hand, nachdem “Flokati” kein passender englischer Begriff ist.

    Zu Ehren von Star Trek aka Raumschiff Enterprise sollten wir diese Mega-Fluffies Super-Tribbles nennen.

    Kennen Sie Tribbles? — The Trouble with Tribbles. — Es wären in gewisser Weise sogar “Triples” mit folgenden Eigenschaften: frühgeboren, gasreich, wanderlustig.

  10. #10 Zahlenspringer
    Erde
    5. November 2015

    Es ist zwar Halb-OT, aber was hat es damit auf sich?:
    https://en.wikipedia.org/wiki/K2-22b

    Da ist anscheinend erst vor Kurzem ein Planet entdeckt worden mit der Bezeichnung K2-22b. Für die Masse und den Radius gibt es nur kleiner-als-Angaben und diese sind reichlich extrem. Der Planet müsste ja eine absurd hohe Dichte und für einen Festplaneten aberwitzige Schwerkraft haben. 2-3 g kann schon mal vorkommen, aber über 40g?

    Mir ist natürlich auch als Laie klar, dass hier sozusagen Staubkörner um eine Straßenlaterne an Helligkeitsveränderungen vom Orbit aus geortet werden und natürlich gibt es da Messungenauigkeiten und so … Aber wie soll ich das jetzt hier verstehen?

    Ist das schlicht eine extrem überhöht gegriffene erste Schätzung, weil man noch wenig Daten hat, oder ist da jemand beim eintragen mit dem Komma verrutscht? Kann ein Festplanet so dicht sein und solche Schwerkraft haben? Oder ist das dann eigentlich sowas wie ein Fragment eines weißen Zwerges?

    nerdige Grüße eines interessierten Laien

  11. #11 Florian Freistetter
    5. November 2015

    @Zahlenspringer: Also über K2-22b weiß ich auch nichts näheres. Er ist aber extrem nahe an seinem Stern und extrem heiß. Ich vermute, das war mal ein Gasriese, der bei seiner Migration dem Stern zu nahe kam so dass der Großteil seiner Atmosphäre verschwunden ist und jetzt nur noch der dichte Metall/Gesteinskern übrig blieb.

  12. #12 Zahlenspringer
    Erde
    5. November 2015

    OK … Interessante Vorstellung, dass es etwas in dieser Dichtegrößenordung auf einem Planeten geben kann.

  13. […] Was macht eigentlich eine Supererde, und warum sind einige eigentlich nicht Gasriesen geworden? Forscher aus den USA haben einen Erklärungsversuch gemacht, berichtet Florian. […]

  14. #14 bruno
    6. November 2015

    …bis in welche (ca.) Entfernung werden aktuell eigentlich Planeten detektiert?

  15. #15 Spritkopf
    6. November 2015

    @bruno

    …bis in welche (ca.) Entfernung werden aktuell eigentlich Planeten detektiert?

    Hier findest du eine Tabelle, die du nach Entfernung sortieren kannst. Nach der ist der derzeit am Weitesten entfernte Exoplanet 8500 Parsec, also rund 27 700 Lichtjahre weit weg.

  16. #16 bruno
    6. November 2015

    @Spritkopf – ah! tx! also können wir im prinzip bereits die hälfte der galaxis durchforsten und (grob) auf die andere hälfte interpolieren.
    ist es eigentlich theoretisch technisch denkbar, jemals extragalaktische exoplaneten finden zu können?

  17. #17 Spritkopf
    6. November 2015

    @bruno

    ist es eigentlich theoretisch technisch denkbar, jemals extragalaktische exoplaneten finden zu können?

    Keinen blassen Dunst. Andromeda ist ja mal zwei Größenordnungen weiter weg als der entfernteste Exoplanet, der bis jetzt entdeckt wurde. Aber wenn ich danach gehe, was heute alles machbar ist, was früher für unmöglich gehalten wurde, denke ich, dass es schlicht vermessen wäre, eine Entdeckung von Exoplaneten in anderen Galaxien als “theoretisch unmöglich” auszuschließen.

  18. #18 Florian Freistetter
    6. November 2015

    @bruno: “ist es eigentlich theoretisch technisch denkbar, jemals extragalaktische exoplaneten finden zu können?”

    Hat man vielleicht sogar schon: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/06/09/erster-extragalaktischer-planet-entdeckt/

  19. #19 bruno
    6. November 2015

    @FF – ok, das war vor 6 (resp. 11) jahren. offenbar hat sich da noch nichts neues ergeben? die “bulge-planeten” wurden ja auch eher mittels microlensing gefunden. die “bestätigte” entdeckung eines planeten in andromeda wäre doch sicher breiter publiziert worden (?)

  20. #20 Till
    8. November 2015

    @Zahlenspringer:
    Inzwischen klingt die Wikipedia Seite aber ganz anders:

    The evaporation of this dust requires a low surface gravity from the host planet, implying it is a low mass, sub-Mercury type planet

  21. #21 Zahlenspringer
    Terra
    8. November 2015

    Tatsächlich. Es wurde sogar erst heute aktualisiert wie es scheint. Nun, es wäre auch sehr extrem gewesen. Dann wird wohl auch bald der englische Wikipedia-Eintrag zu den List_of_exoplanet_extremes demnächst korrigiert werden müssen, was die abgeschätzte extrem hohe Dichte des Objektes angeht.

    Aber sei es wie es ist, die bloße Idee, dass es so sein könnte hat mich ins grübeln gebracht. Wie dicht kann eigentlich, so rein hypothetisch, ein fester Himmelskörper z.B. durch eventuell vorher drauf gewesene Gasschichten komprimiert und dann ggf. durch Eigengravitation gehalten werden?

    Tatsache ist, es gibt weiße Zwerge die schwer wie die Sonne sein können und nicht viel größer als die Erde sind. … aber wie dicht könnte ein Kern von 10-20 Erdmassen Gestein und Metall komprimiert werden von einigen Jupitermassen (vielleicht gerade so wenig, dass es nicht für einen Stern reicht, quasi brauner Zwerg Niveau oder so) Gas die dann wieder abgetragen werden?

    Gibt es dafür überhaupt schon konkrete Antworten in unserem Wissenschatz oder gehört das zu den Dingen die zu extrem sind, um sie zu simulieren und die wir uns somit höchstens anschauen können, wenn wir sie irgendwo im Kosmos vorfinden?

  22. #22 Fumblkrusch
    Karlsruhe
    11. November 2015

    Die Venus ist fast so groß wie die Erde und hat deutlich mehr Gas. Im Gegensatz zur Venus hat die Erde allerdings einen Mond und vermutlich eine fette Kollision in der Vergangenheit, bei der der Mond entsteht.
    Kann das nicht dazu beigetragen haben, dass ein großer Teil der Erdatmosphäre wieder verloren ging, so wie der Mars derzeit (bei 1,4-fachem Abstand = ca. halbem Fluss) auch durch Sonnenwind stetig an Gas verliert?

  23. #23 AmbiValent
    11. November 2015

    @Fumblkrusch
    Ich denke, die Venus verliert ihre Atmosphäre sogar schneller als die Erde. Sie bekommt mehr Sonnenwind ab und hat kein Magnetfeld, das die Atmosphäre davor schützt. Außerdem ist die Atmosphäre heißer, also sind die Atome schneller und können leichter entkommen. Schließlich wird noch der Wasserdampf in der Venusatmosphäre durch UV-Strahlung aufgespalten, wodurch Wasserstoff frei wird, der auch schneller ins Weltall entkommt. Dass die Venus immer noch eine so dichte Atmosphäre hat, liegt wohl auch am Vulkanismus, der immer wieder Nachschub liefert.

  24. #24 Alderamin
    11. November 2015

    @Fumblkrusch

    Ein Großteil der Atmosphäre der Erde dürfte erst nach der Entstehung des Mondes über Asteroiden und Kometen auf die Erde gekommen sein, denn die Erde war ja auch bei ihrer Entstehung heiß und Gase konnten ihr so leicht entkommen. Dass die Venusatmosphäre so dicht ist, liegt an der großen Menge CO2. Die Erde hatte auch einmal so viel , aber das meiste davon wurde mit der Zeit im Meer als Kalkgestein gebunden (bei einem pH-Wert über 7 reagiert mehr Kalzium mit der Kohlensäure im Wasser zu Kalk als Kalk sich wieder zu Kohlensäure und Kalzium zerlegt; der pH-Wert des Meerwassers liegt so bei 8,4). Die Venus hat also eine so dichte Atmosphäre, weil sie kein Meer (mehr?) hat.

    Wenn das Kalkgestein von der Plattentektonik in die Tiefe befördert und dort aufgeschmolzen wird, dann wird das CO2 wieder frei. Deswegen haben Vulkane diese Gewalt, da ist eine Menge Gas unter Druck vorhanden. Und in Mineralquellen löst sich das CO2 wieder im Wasser. Bei Andernach gibt’s einen schönen Kaltwassergeysir, der von solchem CO2 angetrieben wird und bis zu 60 m hoch spritzt. Wie eine geschüttelte Mineralwasserflasche, die man öffnet.

    Möglicherweise war die Erde von 700 Millionen Jahren einmal komplett zugefroren (“Schneeball-Erde-Hypothese”). Durch immer weiter sinkenden CO2-Anteil der Atmosphäre nahm der Treibhauseffekt ab, die Eisflächen wuchsen, die Refelktivität der Erde nahm immer weiter zu und es wurde immer kälter, bis die Meere komplett zugefroren waren. Damit wurde der Mechanismus, der das CO2 aus der Atmosphäre im Meer bindet, unterbrochen. Da der Vulkanismus jedoch weiter ging, wurde das CO2 aus dem Kalkgestein allmählich wieder in der Atmosphäre angereichert und durch den Treibhauseffekt konnte die Erde dann wieder auftauen.