Zürich – Kaum eine Woche vergeht ohne Nachrichten über neu entdeckte Planeten jenseits unseres Sonnensystem. Mittlerweile kennt man 3.851 bestätigte Exoplaneten in 2.871 Systemen, 636 davon besitzen mehr als einen Exoplaneten (Stand 1. Oktober 2018). Aus den Massen und Radien dieser Welten kann man, sofern diese bekannt sind, immerhin auf deren mittlere Dichte schließen. Woraus sie jedoch bestehen, wie sie aufgebaut sind und wie sie sich chemisch zusammensetzen, lässt sich nur in den allerwenigsten Fällen sagen. Für die Suche nach der berühmten "Zweiten Erde" wären diese Informationen jedoch essenziell.

Nun haben Forscher der Universität Zürich (UZH) eine statistische Analyse der bisher verfügbaren Daten vorgelegt, die wichtige Hinweise darauf liefert, ob ein Himmelskörper erdähnlich ist, großteils aus Gestein oder aus Wasser besteht oder ob es sich um einen Gasplaneten handelt. Als Grundregel ergab sich daraus zunächst: Je größer bzw. massereicher der Exoplanet ist, desto mehr Wasserstoff und Helium umgibt ihn.

Verschiedenste Szenarien denkbar

"Theoretisch sind verschiedene Szenarien denkbar: zum Beispiel eine Welt aus reinem Wasser oder reinem Gestein oder Planeten mit einer Wasserstoff-Helium-Atmosphäre, von denen wir den wahrscheinlichen Radius erkunden können", erklärt Michael Lozovsky, Doktorant am Institut für Computational Science der Universität Zürich.

Das Forscherteam hat mithilfe von Datenbanken und statistischer Verfahren Exoplaneten mit ihrer Atmosphäre untersucht. Diese sind ziemlich häufig und sind von einer volatilen Wasserstoff-Helium-Hülle umgeben. Allerdings erlaubten die bisher direkt gemessenen Daten keine Rückschlüsse auf ihre eindeutige Struktur, denn unterschiedliche Zusammensetzungen der Materie können zu derselben Masse und demselben Radius führen. Folglich ging das Forscherteam neben der Genauigkeit der Daten auch der angenommenen inneren Struktur, der planetarischen Temperatur und der Reflexionsstrahlung der Himmelskörper nach. Auf diese Weise untersuchten sie 83 von insgesamt 3700 bekannten Himmelskörpern, deren Massen und Radien bereits klar definiert sind.

Schwellenwerte bestimmen die Struktur

"Wir konnten erstmals statistisch nachweisen, dass es für die sehr häufig vorkommenden Exoplaneten mit einer volatilen Atmosphäre statistische Schwellenwerte gibt, die auf ihre Zusammensetzung hinweisen. Es gibt also einen Radius, oberhalb dessen keine Planeten mit der gleichen Struktur existieren", erklärt Lozovsky. Eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Schwellenradius spielen die Zahl der Elemente in der Gashülle, die schwerer als Helium sind, der Prozentsatz von Wasserstoff und Helium sowie die Verteilung der Elemente in der Atmosphäre.

Die Wissenschafter stellten so etwa fest, dass Planeten mit einem Radius bis 1,4 Mal größer als derjenige der Erde (6.371 Kilometer) eine ähnliche Struktur wie die terrestrischen Planeten aufweisen. Oberhalb dieses Schwellenwertes steigt der Anteil an Silikaten oder anderen leichteren Materialien. Die meisten Planeten mit einem Radius größer als 1,6 Erdradien müssen neben einem felsigen Kern auch eine Wasser- oder eine Wasserstoff-Helium-Hülle aufweisen.

Zwischen "Super-Erden" und "Mini-Neptune"

Ab 2,6 Erdradien sind die Planeten keine Wasserwelten mehr und haben möglicherweise eine umfangreiche Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium. Planeten ab 4 Erdradien sind erwartungsgemäß sehr gasreich und bestehen – ähnlich wie Uranus und Neptun – aus mindestens 10 Prozent Wasserstoff und Helium.

Die neuen Erkenntnisse der im "Astrophysical Journal" erschienenen Studie ermöglichen es, die Entstehung und die Diversität der Exoplaneten besser zu verstehen. Besonders interessant ist der Schwellenwert zwischen großen terrestrischen Planeten – sogenannten "Super-Erden" – und Planeten mit dichten Gashüllen, die auch als "Mini-Neptune" bezeichnet werden. Dieser liegt gemäß den Wissenschafter bei 3 Erdradien. Unterhalb dieser Grenze könnte man also erdähnliche Planeten in den Weiten des Weltalls finden. (red, 13.10.2018)