Häufigkeit schwerer Elemente entscheidet über Planetenradien

Planeten in engen Umlaufbahnen um ihre Sterne lassen sich in drei deutlich unterscheidbare Klassen einteilen. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommt ein Forscherteam aus den USA und Dänemark nach der genauen Analyse von über vierhundert Sternen mit insgesamt sechshundert Planeten. Die Astronomen stießen dabei auf einen Zusammenhang zwischen der Häufigkeit von schweren Elementen in der Atmosphäre des Sterns und der Art der ihn umkreisenden Planeten. Der Anteil an schweren Elementen in der ursprünglichen protoplanetarischen Scheibe sei demnach entscheidend für die Struktur des entstehenden Planetensystems, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Bereits unmittelbar nach der Entdeckung der ersten Exoplaneten kam der Verdacht auf, dass der Anteil an schweren Elementen eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Planetensysteme spielt“, schreiben Lars Buchhave vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge und seine Kollegen. „Denn es gab von Anfang an eine deutliche – inzwischen durch zahlreiche Untersuchungen bestätigte – Tendenz für ein häufigeres Auftreten so genannter heißer Jupiter bei Sternen mit einem hohen Anteil an schweren Elementen.“

Planetenarten

Buchhave und seine Kollegen haben nun erstmals den Zusammenhang zwischen der Häufigkeit schwerer Elemente in einem Stern – von den Astronomen „Metallizität“ genannt – und dem Aufbau seiner Planeten systematisch untersucht. Dazu hat das Team über zweitausend hochaufgelöste Spektren von Sternen untersucht, bei denen das Weltraumteleskop Kepler nach Planeten gesucht hat. Zu ihrer Überraschung fanden die Forscher, dass die Metallizität der Sterne von Planeten mit Durchmessern unterhalb des 1,7-fachen Erddurchmessers, im Bereich von 1,7 bis 3,9 Erddurchmessern und oberhalb von 3,9 Erddurchmessern sich statistisch signifikant unterscheidet.

Die kleinsten Planeten ähneln dabei der Erde, es sind also überwiegend aus Gestein bestehende Himmelskörper. In den mittleren Bereich fallen kleine Gasplaneten mit einem felsigen Kern, der obere Bereich enthält die Gas- und Eisriesen. „Eine höhere Metallizität führt zu einer schnelleren und effektiveren Zusammenballung der Materie“, vermuten die Forscher, „die entstehenden Planetenkerne können also eine große Gashülle ansammeln, bevor der entstehende Stern das Gas fortbläst.“ Bei einer geringen Metallizität dagegen entstehen die Planetenkerne so langsam, dass das Gas bereits fortgeblasen ist – zurück bleiben kleine terrestrische Planeten.