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Entstehung von erdgrossen Planeten simuliert

Computersimulationen von Astrophysikern der Universität Bern demonstrieren die Entstehung von Planeten, die Sterne wie Proxima Centauri in deren bewohnbaren Zone umkreisen. Die Simulationen zeigen, dass solche Planeten häufig ungefähr die Grösse der Erde haben und grosse Mengen Wasser enthalten.

Künstlerische Darstellung von erdgrossen Planeten, die um einen roten Zwergstern kreisen. (Bild: NASA, ESA, and G.Bacon (STScI))

Künstlerische Darstellung von erdgrossen Planeten, die um einen roten Zwergstern kreisen. (Bild: NASA, ESA, and G.Bacon (STScI))

Im August 2016 gaben Forscher die Entdeckung eines erdähnlichen Planeten in der bewohnbaren Zone von Proxima Centauri bekannt. Dies beflügelte die Fantasie von Expertinnen und Laien. Denn es handelt sich bei Proxima Centauri um unseren nächstgelegenen Stern, obwohl er zehnmal weniger Masse hat als die Sonne und 500 Mal weniger hell ist. Bereits im Mai 2016 war ein ähnlicher Planet bei einem noch masseärmeren Stern namens Trappist-1 aufgespürt worden. Dies lässt darauf schliessen, dass solche sogenannten rote Zwerge vermutlich zahlreiche erdähnliche Planeten beherbergen.

Wie könnten diese Objekte aussehen? Woraus könnten sie bestehen? Diese Fragen untersuchten Yann Alibert und Willy Benz vom Nationalen Forschungsschwerpunkt «PlanetS» und dem Center for Space and Habitability (CSH) an der Universität Bern mittels Computersimulationen. Erstmals simulierten sie die Entstehung von Planeten, die erwartungsgemäss um Sterne kreisen, die zehnmal weniger Masse haben als die Sonne. Die Berechnungen kommen den bisherigen Beobachtungen der erdähnlichen Planeten sehr nahe: «Unseren Modellen gelang es, Planeten zu erzeugen, die punkto Masse und Umlaufzeit den beobachteten Objekten gleichen», erklärt Yann Alibert das Resultat der Studie, die in der Fachzeitschrift «Astronomy and Astrophysics» veröffentlicht wird. «Interessanterweise haben wir herausgefunden, dass Planeten in engen Umlaufbahnen um diese Art Sterne klein sind. Ihr Radius liegt typischerweise zwischen 0,5 und 1,5 Erdradien und entspricht am häufigsten einem Erdradius. Künftige Entdeckungen werden zeigen, ob wir richtig liegen», meint Alibert.

Eis am Meeresgrund

Zudem bestimmten die Astrophysiker den Wassergehalt der Planeten, die ihren kleinen Mutterstern in der bewohnbaren Zone umkreisen. Bei allen Fällen enthalten 90 Prozent der Planeten einen Wasseranteil von mehr als 10 Prozent. Zum Vergleich: Auf der Erde beträgt der Wasseranteil nur etwa 0,02 Prozent. Die meisten dieser fernen Planeten sind also im Unterschied zur Erde buchstäblich Wasserwelten. Dies bedeutet auch, dass sie von sehr tiefen Ozeanen bedeckt wären – und auf dem Meeresgrund käme das Wasser in Form von Eis vor wegen des enormen Druckes.

Flüssiges Wasser gilt als entscheidender Bestandteil für Leben, wie wir es kennen. «Was die Lebensfreundlichkeit solcher Planeten anbelangt, kann es auch zu viel Wasser geben», sagt Willy Benz, der auch Leiter der CHEOPS-Mission für die Schweiz ist, die potenziell lebensfreundliche Planeten aufspüren soll. In früheren Studien zeigten die Berner Wissenschaftler, dass zu viel Wasser lebensfeindlich sein kann, da es die Regulierung der Oberflächentemperatur verhindern und das Klima destabilisieren würde. «Aber dies gilt für die Erde, während wir es hier mit bedeutend exotischeren Planeten zu tun haben, die einem viel unwirtlicheren Strahlungsumfeld ausgesetzt sein könnten und ihrem Stern vielleicht immer die gleiche Seite zuwenden», ergänzt Benz.

Das Wachstum von «Planetenembryos» verfolgen

Die Forscher starteten ihre Berechnungen mit einer Serie von einigen Hunderten bis Tausenden von identischen, massearmen Sternen – jeder von ihnen umgeben von einer Scheibe aus Staub und Gas, in der sich die Planeten formen. Alibert und Benz nahmen an, dass sich zu Beginn in jeder dieser sogenannten protoplanetarischen Scheiben 10 sogenannte Planetenembryos mit je der Masse des Mondes befanden. Darauf verfolgte das Modell für jedes System in mehreren Tagen Rechenzeit, wie diese zufällig verteilten Embryos wuchsen und wanderten. Welche Art Planeten geformt werden, hängt von der Struktur und Entwicklung der protoplanetaren Scheiben ab.

«Bewohnbar oder nicht – die Untersuchung von Planeten bei sehr massearmen Sternen wird spannende neue Resultate liefern, die unser Wissen über die Entstehung, Entwicklung und Bewohnbarkeit von Planeten erweitert», fasst Benz zusammen. Da diese Sterne bedeutend weniger leuchtstark als die Sonne sind, kann ein Planet seinem Mutterstern viel näher sein, bevor seine Oberflächentemperatur zu hoch wird für flüssiges Wasser und es verdampfen würde. Zudem sind die meisten Sterne in der Nachbarschaft der Sonne rote Zwerge wie Proxima Centauri. Und Planeten, die nahe bei ihrem Mutterstern liegen, sind zurzeit einfacher zu entdecken und zu untersuchen. Weil diese erdähnlichen Planeten also relativ nah, gut beobachtbar und vermutlich zahlreich sind, bieten sie Forschenden gute Bedingungen, um sie zu untersuchen.

Publikation
Y. Alibert and W. Benz: Formation and composition of planets around very low mass stars, A&A
https://arxiv.org/abs/1610.03460

Kontakt:
Prof. Yann Alibert, NCCR PlanetS und Center for Space and Habitability (CSH)
Universität Bern
yann.alibert@space.unibe.ch

Prof. Willy Benz, NCCR PlanetS und Center for Space and Habitability (CSH)
Universität Bern
willy.benz@space.unibe.ch

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