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Der neunte Planet nimmt Gestalt an

Astrophysiker der Universität Bern haben die Entwicklung des mutmasslichen Planeten im äusseren Sonnensystem mit einem Computermodell simuliert. Danach hat das Objekt heute einen Radius, der 3.7 Erdradien entspricht, und seine Temperatur beträgt minus 226 Grad Celsius. Im fernen Infrarot leuchtet der Planet viel heller als im sichtbaren Licht.

Berechneter Aufbau des hypothetischen Planet 9 (Graphik: Linder & Mordasini)

Berechneter Aufbau des hypothetischen Planet 9 (Graphik: Linder & Mordasini)

Wie gross und wie hell ist der neunte Planet, falls es ihn wirklich gibt? Wie warm oder kalt ist er, und mit welchem Teleskop könnte man ihn finden? Diese Fragen wollten Christoph Mordasini, Professor an der Universität Bern, und seine Doktorandin Esther Linder beantworten, als sie erfuhren, dass es vermutlich einen zusätzlichen Planeten im Sonnensystem gibt, wie Konstantin Batygin und Mike Brown vom California Institute of Technology in Pasadena verkündeten.

Die Schweizer Forschenden sind Experten auf dem Gebiet der Planetenentwicklung mithilfe von Computermodellen. Normalerweise untersuchen sie die Entstehung junger Exoplaneten in Scheiben rund um Sterne, die Lichtjahre von uns entfernt sind, sowie die direkte Abbildung dieser Objekte mit künftigen Instrumenten wie dem James-Webb-Weltraumteleskop. Deshalb meint Esther Linder: „Für mich ist der Planeten-Kandidat ein nahes Objekt, obwohl er etwa 700 Mal weiter entfernt ist als die Erde von der Sonne.“ Die beiden Forschenden nehmen an, dass der neunte Planet eine kleinere Version von Uranus und Neptun ist – ein kleiner Eisriese mit einer Hülle aus Wasserstoff und Helium. Mithilfe ihres Modells der Planetenentwicklung berechneten sie, wie sich Werte wie der Planetenradius oder die Helligkeit seit der Geburt des Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren im Laufe der Zeit entwickelten. Die Arbeit entstand im Rahmen des Nationalfonds-Forschungsprojekts PlanetsInTime und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS.

Heizung aus dem Innern
In ihrer Arbeit, die in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ erscheint, kommen die beiden Autoren zu folgendem Resultat: Ein Planet mit 10 Erdmassen, wie vorgeschlagen, hat heute einen Radius von 3,7 Erdradien. Seine Temperatur beträgt 47 Kelvin oder minus 226 Grad Celsius. „Das heisst, dass die Emission des Planeten von der Abkühlung des Planetenkerns beherrscht wird, sonst läge dessen Temperatur bei nur 10 Kelvin oder minus 263 Grad Celsius“, erklärt Esther Linder: „Seine innere Energie ist ungefähr 1000 Mal grösser als die absorbierte Energie.“ Deshalb trägt das reflektierte Sonnenlicht nur einen kleinen Teil zur gesamten Strahlung bei, die nachgewiesen werden könnte. Dies bedeutet zudem, dass der Planet im Wellenlängenbereich des mittleren und fernen Infrarot viel heller strahlt als im nahen Infrarot und im sichtbaren Licht. Gesamthaft berechneten die Forschenden im sichtbaren Bereich eine Magnitude zwischen 20 und 22, im fernen Infrarot jedoch eine Magnitude von 11. „Aufgrund unserer Studie ist der neunte Planet jetzt mehr als bloss ein Massepunkt, durch diese physikalischen Eigenschaften nimmt er Gestalt an“, sagt Christoph Mordasini.

Die Forschenden untersuchten auch, ob ihre Resultate erklären, warum der neunte Planet bis jetzt noch nicht von Teleskopen aufgespürt wurde. Sie berechneten die Helligkeit von kleineren und grösseren Planeten in verschiedenen Umlaufbahnen und kamen zum Schluss, dass die bisher durchgeführten Himmelsdurchmusterungen nur eine kleine Chance hatten, ein Objekt mit 20 Erdmassen oder weniger zu entdecken, vor allem wenn es sich in der Nähe des fernsten Punkts auf seiner Umlaufbahn um die Sonne befindet. Aber die NASA-Sonde „Wide-field Infrared Survey Explorer“ hätte vermutlich einen Planeten mit 50 Erdmassen oder mehr finden sollen. „Damit hat man eine interessante obere Massengrenze für den Planeten“, erklärt Esther Linder. Die Forschenden sind überzeugt, dass künftige Teleskope wie das im Bau stehende „Large Synoptic Survey Telescope“ (LSST) in Chile oder spezielle Durchmusterungen den neunten Planeten aufspüren oder dessen Existenz ausschliessen können. „Das sind spannende Aussichten“, sagt Christoph Mordasini.

Publikation:
E. Linder/C. Mordasini: „Evolution and Magnitudes of Candidate Planet Nine“
http://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/201628350
http://arxiv.org/abs/1602.07465

Kontakt:
Esther Linder
Physikalisches Institut, Universität Bern
Telefon +41 31 631 44 27
esther.linder@space.unibe.ch

Prof. Christoph Mordasini
Physikalisches Institut, Universität Bern
+41 31 631 51 58
christoph.mordasini@space.unibe.ch

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