Ein Planet in nur 25 Lichtjahren Entfernung galt bislang als gasumhüllte Welt ohne feste Oberfläche. Neue Präzisionsmessungen an zwei Großteleskopen zeichnen nun ein völlig anderes Bild seiner Masse. Der Wert liegt bei weniger als der Hälfte des bisher angenommenen Betrags und verschiebt damit die gesamte Einordnung des Systems. Damit rückt einer der nächstgelegenen Kandidaten für lebensfreundliche Bedingungen unerwartet in den Mittelpunkt.
Rund 6.300 Exoplaneten sind bislang bestätigt, und ein erheblicher Teil von ihnen umkreist masseärmere Sterne als die Sonne. Ein Roter Zwergstern gehört zu den häufigsten Sternen der Milchstraße, denn etwa 70 Prozent aller Sterne fallen in diese Klasse. Weil solche Sterne klein, kühl und lichtschwach sind, liegt die habitable Zone bei ihnen sehr viel dichter am Zentralgestirn als im Sonnensystem. Als habitable Zone bezeichnet die Astronomie jenen Abstandsbereich, in dem die Strahlungsbilanz flüssiges Wasser auf einer festen Oberfläche zulassen würde. Ein Exoplanet in diesem Bereich gilt deshalb als bevorzugtes Ziel für die Suche nach Biosignaturen. Entscheidend ist dabei nicht allein der Abstand, sondern die mittlere Dichte, denn sie verrät, ob ein Körper aus Gestein besteht oder unter einer mächtigen Wasserstoffhülle verborgen liegt. Genau diese Unterscheidung trennt eine felsige Welt von einem Mini-Neptun, und sie hängt unmittelbar an der gemessenen Masse des Planeten.
Aufmerksamkeit erregt derzeit ein Objekt in unmittelbarer kosmischer Nachbarschaft. Die Super-Erde GJ 3378b umläuft den Stern GJ 3378 im nördlichen Sternbild Giraffe in rund 25 Lichtjahren Entfernung. Entdeckt wurde der Planet 2024 durch Messungen der Radialgeschwindigkeit mit dem Canada-France-Hawaii-Teleskop auf dem Mauna Kea, und die damaligen Daten deuteten auf eine Mindestmasse von etwa 5,3 Erdmassen hin. Eine derart hohe Masse spricht statistisch für einen Mini-Neptun, also für eine Welt mit dichter Gashülle und ohne betretbare Oberfläche. Ein Team der University of California in Irvine um Paul Robertson und Michael Endl hat den Planeten nun erneut vermessen und kommt zu einem deutlich abweichenden Ergebnis, das der Eintrag im Exoplanetenkatalog der NASA bereits übernommen hat und das die Einordnung des Systems grundlegend verschiebt. Die Neubestimmung stützt sich auf mehrjährige Beobachtungsreihen und auf Instrumente, die erheblich kleinere Signale auflösen als die Erstentdeckung.
Für die Neuvermessung nutzten die Forscher den Habitable-zone Planet Finder am Hobby-Eberly-Teleskop des McDonald Observatory sowie das Spektrometer NEID am WIYN-Teleskop des Kitt Peak National Observatory. Beide Instrumente registrieren die winzige Taumelbewegung, die ein umlaufender Planet durch seine Gravitation beim Zentralstern auslöst. Aus der Amplitude dieser Bewegung folgt die Masse, aus ihrer Periodizität die Umlaufzeit. Die neuen Daten ergeben eine Masse von rund 2,3 Erdmassen und damit weniger als die Hälfte des ursprünglich angenommenen Werts. Die Umlaufzeit korrigierten die Forscher auf 21,45 Tage bei einer großen Halbachse von etwa 0,097 astronomischen Einheiten. Rechnerisch entspricht das einem Radius von etwa 1,3 Erdradien. Aus Masse und Radius folgt eine Dichte, die zu einem überwiegend felsigen Aufbau passt und eine ausgedehnte Wasserstoffhülle unwahrscheinlich macht. Der Planet wechselt damit die Klasse, und zwar nicht durch eine Neuentdeckung, sondern durch bessere Messtechnik.
Der Fachbegriff Cosmic Shoreline beschreibt eine empirisch gefundene Grenzlinie, die Himmelskörper mit Atmosphäre von jenen trennt, deren Gashülle durch die Strahlung des Zentralsterns abgetragen wurde. Maßgeblich sind dabei die Schwerkraft des Planeten und die über Milliarden Jahre kumulierte Energiezufuhr im extremen Ultraviolett und im Röntgenbereich. Rote Zwerge sind in ihrer Jugend besonders aktiv und erzeugen Ausbrüche, die eine dünne Hülle rasch erodieren können. Nach der Analyse der Astronomen liegt der Planet nahezu exakt auf dieser Grenzlinie, wie die im Fachjournal veröffentlichte Neubestimmung von Masse und Umlaufzeit im Detail darlegt und damit einen seltenen Testfall liefert. Ähnliche Fragen stellen sich auch bei den Supererden um den nahen Zwergstern Gliese 887, deren Lebensfreundlichkeit ebenfalls an der Stabilität einer Atmosphäre hängt. Ob GJ 3378b seine Hülle behalten hat, lässt sich aus den Bahndaten allein nicht beantworten.
Die Grenzen der Aussage sind klar benannt. Ein Transit vor der Sternscheibe wurde nicht beobachtet, weshalb der Radius nicht direkt gemessen, sondern aus statistischen Masse-Radius-Beziehungen abgeleitet ist. Zudem liefert die Radialgeschwindigkeitsmethode streng genommen nur eine Mindestmasse, die von der unbekannten Bahnneigung abhängt. Über Zusammensetzung, Oberflächentemperatur und eine mögliche Atmosphäre sagen die Daten bislang nichts aus. Antworten sollen künftige Großteleskope liefern, etwa das im Bau befindliche Extremely Large Telescope und das Giant Magellan Telescope, sowie das für die 2040er Jahre geplante Habitable Worlds Observatory, das den Planeten direkt abbilden könnte. Die dafür nötige Winkelauflösung nahe am hellen Stern gilt jedoch als anspruchsvoll. Bis dahin bleibt das System ein vorrangiges Beobachtungsziel, ähnlich wie der nahe Erdzwilling Wolf 1069b in der habitablen Zone, dessen Klima ebenfalls nur modelliert werden kann.
The Astrophysical Journal, A Revised Mass and Period for the Habitable Zone super-Earth GJ 3378b: A Planet Straddling the Cosmic Shoreline; doi:10.3847/1538-4357/ae732b