von Ludwig Scheibe (TU Berlin), Oktober 2024
Wenn wir uns die Planeten unseres Sonnensystems nebeneinander aufgereiht ansehen, maßstabsgerecht in ihrer Größe, dann sieht man eindeutig drei Kategorien: Es gibt die kleinen Gesteinsplaneten im inneren Sonnensystem, von denen die Erde der größte ist, die mittelgroßen Uranus und Neptun – etwa 4-mal so groß und 15-mal so schwer wie die Erde – und die beiden Gasriesen Jupiter und Saturn. Es gibt hier keinen Planeten in der Größe zwischen der Erde und dem Neptun. Aber wenn wir über unser eigenes System hinaus schauen, auf die tausenden Exoplaneten, die wir entdeckt haben, dann finden wir da genau das. Und nicht nur das: Planeten in der Größe zwischen der Erde und dem Neptun sind sogar die, von denen wir mit Abstand am meisten entdeckt haben.
Künstlerische Darstellung von CoRoT-7b, der erste entdeckte Supererde – und gleichzeitig der erste extrasolare Gesteinsplanet. Credit: ESO/L. Calçada
Eine breite Auswahl
Während man bei kleinen Planeten davon ausgehen kann, dass sie größtenteils aus Gestein bestehen, und dass Jupiter-große Planeten praktisch immer Gasriesen sind, können mittelgroße Planeten – also Supererden und neptungroße – in ihrer Zusammensetzung über einen großen Bereich variieren. Supererden können große Steinkugeln sein, ähnlich wie die Erde nur vielleicht mit dichterer Atmosphäre. Ein Beispiel ist der oben abgebildete CoRoT-7 b. Oder sie haben einen großen Anteil aus Wasser und Methan, oder es sind sogar kleine Gasplaneten. Je nachdem, welche Quelle man liest, werden manchmal auch nur die dichteren Gesteinsplaneten als „Supererde“ bezeichnet, und die mehr Eis- oder Gas-dominierten Welten heißen „Mini-Neptune“. Hier gibt es keine einheitliche Definition der Begriffe.
Mögliche innere Zusammensetzungen eines Supererde-Exoplaneten. Links: Gesteinsplanet mit ausgedehnter Hülle aus Wasserstoff und Helium. Rechts: Gesteinskern, Wassermantel und dünne Atmosphäre. Bildnachweis: P. Baumeister
Für viele Supererden wissen wir gar nicht so genau, woraus sie bestehen. Die einzige Größe, die wir hier in den allermeisten Fällen haben, ist ihre mittlere Dichte: Wie viel Masse bringen sie bei einem bestimmten Volumen, also einer bestimmten Ausdehnung, auf die Waage? Ist sie gering, dann können wir annehmen, dass sie aus leichten Materialien wie Wasserstoff und Helium bestehen. Ist es dagegen eine hohe Dichte, dann sind es wohl hauptsächlich schwere Stoffe wie Gestein oder Eisen. Das Problem: Wenn die Dichte nicht extrem hoch oder extrem niedrig ist, stellt sich die Frage: Ist das jetzt das Resultat aus beispielsweise eine Gesteinskern mit dicker Wasserstoffhülle – ein schweres und ein leichtes Material – oder ein Planet großteils aus Wasser – ein mittelschweres Material? Dieses Problem ist noch ungelöst, und viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten daran, indem Informationen aus Atmosphären-Messungen des Planeten, aus Studien der Planetenentstehung, oder sogar Messungen zur genauen Form des Planeten einbezogen werden.
Die Suche nach Leben
Künstlerische Darstellung des Mini-Neptuns K2-18b, der möglicherweise eine Ozean-Welt mit dichter Wasserstoff-Atmosphäre ist, und auf dem erste vorläufige Hinweise auf eine Biosignatur gefunden wurden. Bildnachweis: ESA/Hubble, M. Kornmesser
Je kleiner ein Planet ist, desto schwieriger ist es, ihn zu entdecken und genauer zu untersuchen. Die Erde ist unter diesem Gesichtspunkt ein eher kleiner Planet. Supererden dagegen, selbst die, die aus Gestein bestehen und damit der Erde am ähnlichsten sind, können teilweise doppelt so groß wie die Erde sein. Daher sind sie das Ziel von Untersuchungen darüber, ob Leben auf anderen Welten möglich ist. Denn von diesen Supererden ist es schon gelungen, die Atmosphären zu messen, während das bei Erd-großen Exoplaneten noch ganz am Anfang steht. Ein Beispiel für solche Erkundungen ist K2-18 b, ein Planet, der etwa 2,5-mal den Durchmesser der Erde hat und in der habitablen Zone seines Sterns liegt. Bereits 2019 hat man Wasser in seiner Atmosphäre gefunden, und eine 2023 veröffentlichte Studie zeigt auch CO2 und Methan in der Atmosphäre, und zumindest zaghafte Hinweise auf ein Molekül namens Dimethylsulfid, das auf der Erde nur durch biologische Prozesse entsteht (Madhusudhan et al. 2023).
Die Tatsache, dass Super-Erden so häufig sind, obwohl wir in unserem Sonnensystem keine haben, zusammen mit ihrer Breite an verschiedenen Zusammensetzungen und der Tatsache, dass sie dabei erdähnlich genug sein könnten um Leben zu beherbergen, macht diese Planetenklasse zu wichtigen Zielen in der nahen Zukunft der Exoplanetenforschung.
