Was sind Supererden und warum suchen Wissenschaftler nach ihnen?

Eine Planetenklasse ohne Zwilling im Sonnensystem

Unser Sonnensystem hat Gesteinsplaneten wie die Erde und Gasriesen wie Jupiter, aber nichts dazwischen. Doch in der gesamten Milchstraße ist der häufigste Planetentyp genau in dieser Lücke angesiedelt. Supererden – Welten mit der ein- bis zehnfachen Erdmasse – machen etwa 1.765 der mehr als 6.150 bestätigten Exoplaneten im NASA-Katalog aus und sind damit einer der häufigsten Planetentypen, die Astronomen gefunden haben.

Das Verständnis von Supererden ist wichtig, weil sie am Scheideweg zweier grundlegender Fragen stehen: Wie entstehen Planeten und wo sonst könnte es Leben geben?

Was definiert eine Supererde?

Die Bezeichnung bezieht sich ausschließlich auf die Größe, nicht auf die Bewohnbarkeit. Eine Supererde hat eine größere Masse als die Erde, aber deutlich weniger als Neptun, der etwa 17 Erdmassen wiegt. Laut NASA können diese Planeten felsig, gasförmig oder eine Mischung aus beidem sein. Wissenschaftler unterscheiden ferner zwischen echten Supererden – Gesteinswelten mit einem Radius von weniger als etwa dem 1,5-fachen der Erde – und Sub-Neptunen, etwas größeren Planeten, die dicke Wasserstoff-Helium-Hüllen behalten.

Die Trennlinie zwischen den beiden, manchmal auch als Radiuslücke bezeichnet, ist eines der größten Rätsel in der Exoplanetenforschung. Beobachtungen zeigen überraschend wenige Planeten zwischen dem 1,5- und 2-fachen des Erdradius, was auf einen physikalischen Prozess hindeutet, der einigen Welten ihre Atmosphäre entzieht, während andere intakt bleiben.

Wie Supererden entstehen

Zwei führende Hypothesen konkurrieren um die Erklärung ihrer Entstehung. Das Gaszwerg-Modell besagt, dass Supererden und Sub-Neptune auf die gleiche Weise entstehen, indem sie große, von Wasserstoff dominierte Atmosphären aus der protoplanetaren Scheibe ansammeln. Über Milliarden von Jahren entzieht die Sternenstrahlung den leichteren Planeten ihr Gas, wodurch sie zu nackten, felsigen Supererden schrumpfen.

Das alternative Wasserwelt-Modell geht davon aus, dass der Unterschied von Anfang an gegeben ist: Planeten, die sich jenseits der Eislinie bilden, sammeln viel mehr Wasser und flüchtige Stoffe an und werden zu Sub-Neptunen, während diejenigen, die sich näher bilden, trockener und felsiger bleiben. Jüngste Beobachtungen junger Planetensysteme – in denen Planeten aufgebläht erscheinen und aktiv Atmosphäre verlieren – liefern zunehmend Unterstützung für das Gaszwerg-Szenario, obwohl die Debatte noch lange nicht abgeschlossen ist.

Wie Wissenschaftler sie entdecken

Die meisten Supererden werden mit zwei Methoden gefunden. Die Transitmethode, die von Missionen wie der NASA-TESS und dem ausgemusterten Kepler-Weltraumteleskop verwendet wird, achtet auf den winzigen Einbruch des Sternenlichts, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht. Die Radialgeschwindigkeitsmethode misst das subtile Wackeln, das die Schwerkraft eines Planeten auf seinen Stern ausübt, und verwendet dabei Präzisionsspektrographen wie HARPS und ESPRESSO.

Die Kombination beider Techniken ermöglicht es Astronomen, die Größe und Masse eines Planeten zu bestimmen, was zusammen seine Dichte enthüllt – ein entscheidender Hinweis darauf, ob eine Welt felsig wie die Erde ist oder von einer dicken Gashülle umgeben ist.

Warum sie für die Suche nach Leben wichtig sind

Eine Supererde in der habitablen Zone – dem Orbitalbereich, in dem flüssiges Wasser auf der Oberfläche vorhanden sein könnte – ist ein erstklassiges Ziel für die Suche nach Biosignaturen. Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat bereits zum ersten Mal Atmosphären auf felsigen Exoplaneten entdeckt und damit bewiesen, dass es die chemischen Fingerabdrücke ferner Welten analysieren kann.

Mehrere Supererden stechen als Kandidaten hervor. Proxima Centauri b, der den sonnennächsten Stern umkreist, und der kürzlich bestätigte GJ 887 d, der nur 10,7 Lichtjahre entfernt in einem der ruhigsten Roten-Zwerg-Systeme liegt, befinden sich beide innerhalb der habitablen Zonen ihrer Sterne. Die ungewöhnlich geringe Flare-Aktivität von GJ 887 ist besonders vielversprechend, da heftige Sternenausbrüche die Atmosphäre eines Planeten abtragen und seine Oberfläche sterilisieren können.

Der Weg nach vorn

Da Webb nun Atmosphären charakterisiert und die nächste Generation von bodengebundenen Teleskopen am Horizont steht, entwickeln sich Supererden von bloßen Lichtpunkten zu Welten, deren Chemie Astronomen untersuchen können. Ob eine von ihnen die richtige Mischung aus Wasser, Wärme und organischen Molekülen beherbergt, bleibt eine offene Frage – aber mit fast 1.800 Kandidaten und Tendenz steigend verbessern sich die Chancen mit jeder Entdeckung.