Kepler 62 e und f – Zwei Erdähnliche Exoplaneten?

Im März 2009 startete das Weltraumteleskop Kepler und begann bald darauf nach Exoplaneten zu suchen, also nach Planeten bei anderen Sternen (anderen Sonnen) jenseits unseres Sonnensystems. Vielleicht findet man ja auch Planeten darunter, die unserer Erde ähneln und auf denen es außerirdisches Leben gibt oder hin und wieder sogar außerirdische Zivilisationen!

Kepler umrundet die Sonne auf einer Bahn, die nur ein wenig von der der Erde abweicht. Dabei läuft das Weltraumteleskop der Erde immer ein wenig hinterher, entfernt sich dadurch mit der Zeit immer mehr von ihr und kann so ohne Sichtbehinderung durch die Erde Sterne anvisieren. Zielgebiet ist ein kleines Himmelsareal im Sternbild Schwan mit etwa 100.000 Sternen. Kepler prüft Stern für Stern auf sich wiederholende Planetentransits, welche sich durch eine minimale Helligkeitsabnahme des betroffenen Sterns bemerkbar machen und so die Anwesenheit von Exoplaneten verraten.

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Das US-Weltraumteleskop Kepler sucht in einem festen Ausschnitt des Sternenhimmels im Sternbild Schwan (Cygnus) nach Exoplaneten. Quelle: NASA

Bei einem Planetentransit zieht der Planet auf seiner Umlaufbahn von der Erde aus gesehen zwischenzeitlich vor der Sternscheibe vorbei und dunkelt den Stern dadurch ein wenig ab. Bei dem Transit (Vorübergang) eines jupitergroßen Planeten beispielsweise, beobachtet man eine Helligkeitsabnahme von etwa 1/100 (1%), bei einem erdgroßen Planeten sind es lediglich noch 1/10000 (0,1 Promille).  Aus dem Grad der Helligkeitsabnahme läßt sich so unmittelbar die Größe des Exoplaneten herleiten. Der Zeitraum zwischen zwei Vorübergängen ergibt die Umlaufzeit des Planeten (die Dauer eines Jahres) und unter Zuhilfenahme des 3. Keplerschen Gesetzes – die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die dritten Potenzen (Kuben) der großen Bahnhalbachsen – auch den Abstand des Planeten von seinem Heimatstern. Kann außerdem auch noch die Leuchtkraft des Heimatsterns ermittelt werden, so lassen sich begründete Vermutungen über die durchschnittliche Oberflächentemperatur des Exoplaneten anstellen, ein wichtiger Hinweis ob der Planet lebensfreundlich ist oder nicht.

Voraussetzung für die Beobachtung eines Planetentransits bei einem anderen Stern ist eine nicht allzu große Neigung der Bahnebene des Exoplaneten um seinen Stern gegen die Ebene der Sichtlinie von der Erde aus. Ansonsten ist ein Planetentransit von der Erde aus nicht beobachtbar. Die Wahrscheinlichkeit für die Beobachtung des Transits von einem in etwa erdgroßen Planeten liegt bei nur 0,005 (0,5%), erhöht sich aber mit der Anzahl der beobachteten Sterne. Ein einzelner Planetentransit (Vorübergang des Planeten vor der Sternscheibe) muß noch nichts bedeuten, denn die Helligkeitsabnahme eines Sterns kann auch andere Ursachen haben wie zum Beispiel große Sonnenflecken. Beobachtet man aber einen Transit 2 oder gar 3 mal (in  gleichen zeitlichen Abständen) hintereinander, dann handelt es sich um einen echten Planetenkandidaten. Bei mindestens 4 beobachteten Transits gilt die Entdeckung des Exoplaneten als gesichert.

2740 Exoplaneten-Kandidaten hat Kepler bereits entdeckt, 69 davon gelten inzwischen als bestätigt (Stand April 2013). Das bisher interessanteste der entdeckten Exoplanetensysteme ist das etwa 1200 Lichtjahre entfernte System Kepler 62. Der Stern ist ein orangener Zwergstern vom Spektraltyp K2 mit einem Durchmesser von 2/3 der Sonne und einer nur 1/5 so starken Leuchtkraft. Der Stern ist mit ca. 7 Milliarden Jahren um einiges älter als unsere Sonne (ca. 5 Milliarden Jahre). Das dazugehörige Planetensystem besteht aus 5 Planeten. Die drei innersten Planeten Kepler 62 b, c und d, zwei Supererden (Kepler 62 b und d), mehr als 2x so groß wie die Erde und ein etwa marsgroßer Planet (Kepler 62 c) bewegen sich auf sehr engen Bahnen um ihren Stern (Umlaufzeiten 6, 12 und 18 Tage) und sind deshalb viel zu heiss für Leben wie wir es kennen. Die beiden äußeren Planeten, sind ebenfalls Supererden, aber nur 1,6x (Kepler 62 e) bzw. sogar nur 1,4x (Kepler 62 f) so groß wie die Erde. Sie sind damit so klein, daß es sich nur um Felsplaneten wie die Erde handeln kann.

Kepler 62 Info

Das Planetensystem Kepler 62: Lichtkurven der 5 Planeten Kepler 62 b-f (links), Vergleich mit unserem Sonnensystem (rechts). Der Exoplanet Kepler 62f bewegt sich ähnlich der Erde mitten in der habitablen Zone. Kepler 62 e liegt dagegen wie die Venus am inneren Rand. Kepler 62 c ist nur so groß wie der Mars. Quelle: NASA und  die Original-Veröffentlichung

Bei Supererden, die mehr als 2x so groß sind wie die Erde ist das nicht mehr so sicher. Computersimulationen der Planetenentstehung legen nahe, daß diese eher den Planeten Uranus und Neptun als Erde oder Venus ähneln könnten, mit einem felsigen Kern zwar, aber auch mit einer sehr dichten, viele hundert Kilometer mächtigen Atmosphäre und darunter vielleicht eine Schicht mit hochkomprimierten Wasser.

Die beiden neuentdeckten kleinen Supererden Kepler 62 e und f könnten dagegen tatsächlich der Erde ähneln. Möglicherweise ist ihr Wasseranteil aber größer, ja sie könnten echte Wasserplaneten bedeckt von einem globalen Ozean, vielleicht mit ein paar Inseln (hochragende Berge). Beide Planeten sind weit genug weg von ihrem Stern, um keine gebundene Rotation zu haben. Das bedeutet, sie drehen sich um ihre eigene Achse, es gibt einen Wechsel zwischen Tag und Nacht wie auf der Erde. Das ist günstig für das Klima und damit auch für mögliches Leben. Bei Planeten, die sehr nahe um ihren Stern kreisen, wird die Eigenrotation  jedoch soweit abgebremst, daß sie ihrem Stern immer dieselbe Seite zeigen. Der Planet dreht sich dann während eines Umlaufs genau einmal um seine eigene Achse (gebundene Rotation). Dann gibt es keinen Wechsel zwischen Tag und Nacht mehr. Die Tagseite wird ohne Pause durch den Stern aufgeheizt, die Nachseite kühlt immer mehr aus. Das führt zu extremen Klimaverhältnissen. Die atmosphärische Zirkulation kann die Temperaturunterschiede bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Aber damit gehen immerwährende Stürme mit auf der Erde unvorstellbar hohen Windgeschwindigkeiten einher.

Kepler 62 f ist aus meiner Sicht im Vergleich zu Kepler 62 e vielleicht der bessere Kandidat für außerirdisches Leben, denn der Planet liegt mitten in der habitablen Zone seines Sterns, genauso wie die Erde. Kepler 62 e liegt dagegen am inneren Rand wie die heisse und beinahe wasserlose Venus. Vor einigen hundert Millionen Jahren war die Venus aber womöglich noch lebensfreundlich. Das hängt mit der Leuchtkraft der Sonne zusammen, die damals geringer war als heute. Sterne gewinnen ihre Energie durch die Kernverschmelzung (Kernfusion) von Wasserstoff zu Helium. Diese Reaktion findet im Sonneninneren, statt wo Druck und Temperatur durch die Eigenschwerkraft ausreichend hoch sind. Durch die Bildung des schwereren Heliums wird das Sonneninnere mit der Zeit dichter und heißer und dadurch die Kernfusionsreaktion intensiver. Die Leuchtkraft nimmt zu und die habitable Zone des Sterns rückt nach außen. Eine Zeitlang kann das Klimasystem eines erdähnlichen Planeten die Zunahme der Sonneneinstrahlung noch durch erhöhte Wolkenbildung kompensieren, aber irgendwann einmal ist Schluss. So war es vielleicht bei der Venus und das könnte auch auch für Kepler 62e gelten. Aber vielleicht helfen derzeit  ja noch die Wolken.

Wie auch immer, Kepler 62 e und f sind die bisher erdähnlichsten Planeten, welche bis heute gefunden wurden. Immer mehr spricht dafür daß die Erde und das auf ihr wimmelnde Leben kein Einzelfall im Universum sind!

Jens Christian Heuer

Quellen:
Kepler-62: A Five-Planet System with Planets of 1.4 and 1.6 Earth Radii in the  Habitable Zone, Water Planets in the Habitable Zone:Atmospheric Chemistry, Observable Features, andthe case of Kepler-62e and 62f, NASA-Kepler

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