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Fingerabdrücke erdähnlicher Planeten in Spektren sonnenähnlicher Sterne?

Bei einer vergleichenden Untersuchung von Spektren sogenannter Sonnenzwillinge, also von Sternen, die in Alter und physikalischen Eigenschaften weitestgehend der Sonne ähneln, haben die drei  Astronomen Ramirez, Melendez (beide Portugal) und Asplund (Deutschland) möglicherweise den Ansatz für eine neue Methode zum Aufspüren erdähnlicher Planeten gefunden.

Ausgangspunkt war ein überraschender Befund: Die Sonne weist, verglichen mit der Mehrzahl ihrer Zwillinge, eindeutig einen zu geringen Anteil an schweren Elemente in ihrem Spektrum auf, oder anders herum die meisten Sonnenzwillinge haben zuviel schwere Elemente. Auf der folgenden Grafik ist das sehr schön zu sehen:.

Relative Häufigkeit der Elemente in Abhängigkeit von ihrer Kondensationstemperatur (Tc) bei 22 Sonnenzwillingen. Weitere Erklärungen im Text. Quelle: Ramirez, Melendez, Asplund (2009)

Elemente mit einer Kondensationstemperatur von unter 900 Kelvin (Tc <900 K) gelten als leichtflüchtig, Elemente mit einer Kondensationstemperatur von über 900 Kelvin (Tc >900 K) hingegen als schwerflüchtig. Die grauen Punkte entsprechen individuellen Häufigkeiten bei einzelnen Sternen; die Kreise mit Balken zeigen durchschnittliche Häufigkeiten mit jeweiligen Standardabweichungen.

Zum besseren Verständnis muß der Begriff der Metallizität eingeführt werden. Zu den Metallen werden in der Astronomie, abweichend vom üblichen Verständnis, alle Elemente gerechnet, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Während Wasserstoff und Helium schlagartig mit dem Urknall des Universums entstanden, wurden die Metalle erst im Laufe der Zeit bei Kernverschmelzungsreaktionen in Sternen oder bei Supernovaexplosionen am Ende des Lebens massereicher Sterne gebildet. Mit jeder neuen Sternengeneration, die aus der gut durchmischten „Asche“ ihrer Vorgängergeneration hervorgeht, nimmt daher der Anteil der Metalle im Universum, die sogenannte Metallizität, immer weiter zu.

Die Metallizität eines Sternes, also sein Gehalt an Elementen schwerer als Wasserstoff und Helium, wird stets relativ zu den Verhältnissen in unserer Sonne angegeben und zwar als logarithmischer Wert. Häufig wird das Eisen als Referenzelement stellvertretend für alle anderen „Metalle“ genommen. Das geht dann so: Man bestimmt zunächst im Sternenspektrum die Stärke der Absorptionslinien des Eisens (Fe) und des Wasserstoffs (H), setzt sie zueinander ins Verhältnis und bildet den Logarithmus. Mit Logarithmen läßt sich leichter arbeiten, denn aus dem Quotienten (Bruch) wird eine Differenz. Zwei Beispiele: Ein Wert von Fe/H= 1 wird von  jungen Sternen erreicht und bedeutet, daß der Stern 10x mehr Metalle enthält als die Sonne (log 10 exp 1 = 1!); ein Wert von -4 dagegen ist typisch für sehr alte Sterne, die lediglich 1/10000 soviel Metalle enthalten wie die Sonne (log 10 exp -4 = -4!). Die Sonne selbst hat definitionsgemäß eine Metallizität von Fe/H = 0.

In der Grafik wird die relative Häufigkeit der leichtflüchtigen und schwerflüchtigen Elemente bei den 22 Sonnenzwillingen mit denen unserer Sonne verglichen. Das Verhältnis wird wieder als logarithmischer  Wert dargestellt, diesmal als X/Fe, das ist die Absorption des jeweiligen Elementes als Differenz zur Absorption von Eisen, immer relativ zur Absorption bei den Wasserstofflinien (X/Fe = X/H – Fe/H).

Der Überschuß bei den schwerflüchtigen Elementen im Vergleich zur Sonne ist an der positiven Steigung  in der Grafik zu erkennen. Mit zunehmender Kondensationstemperatur wird auch der Überschuß größer. Es besteht also eine positiver Zusammenhang (eine positive Korrelation) zwischen der Kondensationstemperatur und der relativen Häufigkeit der  Elemente, was in der Grafik durch die positive Steigung zum Ausdruck kommt. Außer bei der Sonne fehlt dieser Überschuß aber auch bei einer Minderheit ihrer Zwillinge, erkennbar an der fehlenden odersogar negativen Steigung in der Grafik (s.u.).

Der Überschuß an schwerflüchtigen Elementen bei den meisten Sonnenzwillingen ist schon seltsam, wenn man bedenkt, daß sowohl die Sonne als auch ihre gleichaltrigen Zwillinge aus interstellaren Gas- und Staubwolken mit in etwa derselben Zusammensetzung entstanden sind (s.o.).

Warum also hat die Sonne verglichen mit den meisten ihrer Zwillinge ein Defizit an schwerflüchtigen Elementen? Der Astronom Melendez fand eine verblüffende Lösung: Der Sonne fehlen ein Teil der schweren Elemente, weil diese sich in ihren (erdähnlichen) Felsplaneten befinden, wozu Merkur, Venus Erde und Mars zählen. Der Asteroidengürtel kann als Überrest eines verhinderten Felsplaneten angesehen werden. 

Das heißt dann aber auch im Umkehrschluß, daß die Mehrzahl der  Sonnenzwillinge, die ja kein Defizit an schwerflüchtigen Elementen aufweist, wahrscheinlich auch ohne Felsplaneten ist. 

Entstehung eines Planetensystems. Quelle: Spektrum der Wissenschaft (verändert)

Diese Schlußfolgerung wird durch zwei weitere Tatsachen gestützt:  

1. Rechnet man die Masse der in der Sonne fehlenden schweren Elemente zusammen, so kommt man näherungsweise auf die Gesamtmasse aller Felsplaneten und Asteroiden in unserem Sonnesystem.

2. Sonnenzwillinge, die von einem oder mehreren Gasriesen auf relativ engen Bahnen umrundet werden, ungefähr in den Abständen, wo sich in unserem Sonnensystem  die vier Gesteinsplaneten befinden, haben in allen bisher bekannten Fällen kein Defizit an schweren Elementen wie die Sonne. Gasriesen auf engen Bahnen verhindern durch ihre Gezeitenkräfte die Bildung von Gesteinsplaneten aus der protoplanetaren Scheibe. Die auskondensierten schweren Elemente bleiben ungenutzt und „regnen“ zurück auf den Stern.

Die Gasriesen selbst verändern das Verhältnis zwischen schweren und leichten Elementen praktisch überhaupt nicht, da sie bei ihrer Entstehung aus der protoplanetaren Scheibe neben den schweren auch einen sehr großen Anteil leichtflüchtiger Elemente aufnehmen.

Die nächste Grafik zeigt Zusammenhänge zwischen drei wichtigen physikalischen Eigenschaften der Sonnenzwillinge und ihren durchschnittlichen Elementhäufigkeiten:

Korrelationen zwischen Häufigkeiten und Kondensationstemperaturen schwerflüchtiger Elemente (Tc >900 K slope), sowie durchschnittliche Häufigkeiten leichtflüchtiger Elemente (Tc < 900 K X/Fe avg) in Abhängigkeit von 3 wichtigen Eigenschaften der untersuchten Sonnenzwillinge. Weitere Erklärungen im Text. Quelle: Quelle: Ramirez, Melendez, Asplund (2009)

In der obere Reihe werden für die schwerflüchtigen Elemente die Korrelationen zwischen ihrer Häufigkeit und Kondensationstemperatur (erkennbar an der Steigung der jeweiligen Kurve) in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur (links), der Schwerkraft (Mitte) und der Metallizität der untersuchten Sonnenzwillinge dargestellt.

Interessant ist vor allem die rot markierte Grafik, denn sie zeigt sehr deutlich den möglichen „Fingerabdruck“ der Felsplaneten:

Bei Metallizitäten von Fe/H = 0 bis > 0,1 erkennt man unter den Sonnenzwillingen zwei Gruppen; die eine größere mit einer positiven Korrelation (positive Steigung der Kurve, helle Punkte), also mit einem Überschuß schwerer Elemente im Vergleich zur Sonne und eine weitere, deutlich kleinere Gruppe ohne oder sogar mit einer negativer Korrelation (negative Steigung der Kurve, dunkle Punkte).

Diese zweite, kleinere Gruppe, die lediglich 15% der untersuchten Sonnenzwillinge umfasst, hat wie die Sonne ein Defizit schwerflüchtiger Elemente, wenn man sie mit der Mehrzahl (85%) der anderen Sonnenzwillinge vergleicht. Die zu dieser Minderheit gehörenden Sterne werden wahrscheinlich ebenso wie die Sonne von ein oder mehreren Gesteinsplaneten umkreist und dürften damit über ein Planetensystem ähnlich unserem Sonnensystem verfügen.

Hier sollte man suchen, wenn man eine Zweite Erde finden will!

Bei ausschließlicher Einbeziehung von Sonnenzwillingen mit Metallizitäten Fe/H > 0,1 steigt der Anteil an Sternen, die wahrscheinlich von Felsplaneten begleitet werden, auf möglicherweise bis zu 50%.

Jens Christian Heuer

Quelle: Accurate abundance patterns of solar twins and analogs – Does the anomalous solar chemical composition come from planet formation? (I. Ramírez, J. Meléndez, M. Asplund)

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Kategorien:Exoplaneten, Telegramme
  1. Peter Nowak
    26/07/2010 um 12:07

    Im Artikel heisst es:
    „Der Asteroidengürtel kann als Überrest eines verhinderten Felsplaneten angesehen werden. “
    Diese Annahme ist leider unhaltbar. Da es im Asteroidengürtel einen Zwergplaneten Ceres gibt (http://lexikon.astronomie.info/eris/index.html), findet in dem Gebiet nachweislich die Zusammenballung protoplanetarer Masse zu Planeten statt. Entweder müsste also bewiesen werden, dass und wodurch die Planetenbildung in diesem Bereich verzögert wurde, oder es muss anerkannt werden, dass ein dort einstmals vorhandener Planet durch eine kosmische Katastrophe zerstört wurde und seitdem eine Neubildung eines Planeten aus der Restmasse im Asteroidengürtel stattfindet. IMHO spricht alles für letzteres.
    Peter Nowak

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