Beim Wettbewerb Jugend forscht erzielt Noah Jackson aus der Klasse 10a einen hervorragenden 2. Platz auf Landesebene. Darüber hinaus gewinnt Noah einen Sonderpreis verbunden mit einem Stipendium der Reisestiftung Deutsches Museum und des Fördervereins MNU.

Dies ist doch eine aufregende Zeit für die Exoplanetenforschung!

Projektüberblick

Könnt ihr glauben, dass 70% der Sterne in der Milchstraße überhaupt nicht unserer eigenen Sonne ähneln? Mit einer Masse, die mindestens 10-Mal geringer ist als die unserer Sonne, und einer Leuchtkraft, die mindestens 100-Mal geringer ist als die unserer Sonne, ist selbst in den klarsten Nächten kein einziger dieser M-Zwergsterne mit bloßem Auge sichtbar. Bisher haben wir über 5.600 Exoplaneten in unserer Galaxie bestätigt, aber die meisten von ihnen unterscheiden sich völlig von unserer Erde – sie sind große, gasförmige Planeten. Aber um diese gewöhnlichen M-Zwergsterne kreisen kleinere Gesteinsplaneten wie unsere Erde, von denen einige in ihrer inneren Zusammensetzung und Struktur erdähnlich sein könnten. Mit einem erdähnlichen Inneren, also mit genau der richtigen Menge an Eisenkern, sind ein Magnetfeld und vulkanische Aktivität möglich—zwei Faktoren, die zur Lebensfähigkeit eines Planeten beitragen. Obwohl Planeten in M-Zwergsternsystemen härtere Umgebungen mit erhöhter Strahlung, kürzeren Umlaufzeiten und starken Gezeiteneffekten aushalten müssen, haben sie aufgrund der langen Lebensdauer ihrer Sterne auch längere Entwicklungszeiten.
Aber was wissen wir bisher über diese Planeten? Wir wissen, dass sie existieren, indem wir ihren Transit beobachten, während sie ihren Stern umkreisen. Diese Beobachtungen ermöglichen es, ihre Masse und ihren Radius zu messen (dies basiert darauf, wie stark das Licht ihres Sterns schwächer zu werden scheint, wenn sie durch unsere Sichtlinie gehen und ihren Stern verdecken). Schätzungen der Oberflächentemperaturen sind auch möglich, indem man die Eigenschaften ihres Sterns und die Umlaufbahnentfernung des Planeten untersucht. Eines der interessantesten Merkmale dieser Planeten bleibt jedoch ein Rätsel: Sind diese Gesteinsplaneten, die ihren Sternen so nahe sind, überhaupt in der Lage, eine Atmosphäre (eine notwendige Voraussetzung für Leben) zu bilden und aufrechtzuerhalten? Die Antwort erfordert zeit- und ressourcenintensive Beobachtungen von Sternspektren während Transitereignissen. Doch bevor eine solche Methodik zum Einsatz kommen kann, gilt es herauszufinden, für welche der bekannten Exoplaneten es wert sind, näher betrachtet zu werden. Und das war der Ausgangspunkt für meine Projektfrage: Wie können Wissenschaftler entscheiden, in welche Exoplaneten sie ihre Arbeit investieren? Ziel dieses Projekts war es daher, die bekannten, relativ kleineren 35 Exoplaneten, die sich im M-Zwergsystem befinden, zu charakterisieren und Kandidaten für weitere Studien zu identifizieren.
Nur mit der Masse und dem Radius des Exoplaneten ausgestattet, wurden Modellierungstechniken verwendet, um die innere Zusammensetzung und Struktur der Projekt-Exoplaneten abzuschätzen. Dann war es möglich, sie in eine von zwei Klassen zu unterteilen: eine Klasse, die wie unsere eigene Erde aussahen: felsige Exoplaneten mit Eisenkernen, vielleicht auch mit Plattentechtonik und vulkanischer Aktivität (Klasse 1), und eine Klasse, die wie Mini-Neptune aussahen: riesige Wasserwelten, eventuell mit dichter Atmosphäre (Klasse 2). Meine Ergebnisse lassen darauf schließen, dass es zwischen diesen Klassen echte Unterschiede gibt. Klasse-1-Supererden sind kleiner, dichter, wärmer, und näher an ihren Sternen. Klasse-2 dagegen sind größer, haben weniger Dichte, sind kühler und weiter von ihren Sternen. Obwohl Astronomen bisher 2 Erdradien als schnelle Methode verwendet haben, um kleinere terrestrische Supererden von größeren Wasserwelten zu unterscheiden, legen diese Ergebnisse nahe, dass ein kleinerer Wert von 1,4 eine genauere Faustregel wäre. Von den Klasse-1-Planeten wurden sieben (etwa 20% der gesamten Gruppe) ebenfalls gut durch eine erdähnliche Komposition und Struktur modelliert – genau die richtige Menge an Eisen und Silikat für die erforderliche vulkanische Aktivität. Zwei Planeten konnten jedoch nicht klassifiziert werden. Für seine Masse hat Gliese 12b einen viel kleineren Radius, als das 100% Fe-Modell seiner Masse vorhersagen würde. Es ist tatsächlich ein terrestrischer Planet, aber er könnte einen Kern haben, der aus etwas dichter als Eisen besteht, vielleicht Uran. Auf der anderen Seite scheint der Radius von Kepler-138 d zu groß für seine Masse zu sein. Dies deutet darauf hin, dass es etwas anderes, weniger Massives gibt, das zu seinem Radius beiträgt – nämlich die Atmosphäre. Während Kepler-138 d zuvor als felsige Supererde eingestuft wurde, wäre eine passendere Klassifizierung ein Mini-Neptun, eine Wasserwelt mit dicker atmosphärischer Hülle, die ca. 12% seines Radius ausmacht. Schließlich mit der Berechnung der sogenannten Bewohnbarkeitszone konnten auch zwei Projekt-Exoplaneten identifiziert werden, die ihre Sterne in einer Entfernung umkreisen, die flüssiges Wasser begünstigt.
Um die Forschung voranzutreiben, sind für Atmosphärenstudien beträchtliche Ressourcen erforderlich, von denen die kostbarste die Teleskopzeit ist. Vielleicht könnte die Charakterisierung, die ich in diesem Projekt durchgeführt habe, bei der Eingrenzung der geeigneten Kandidaten hilfreich sein. Zehn Projekt-Exoplaneten wurden als von zukünftigem wissenschaftlichem Interesse identifiziert: diejenigen, die der Erde in Zusammensetzung und Struktur am ähnlichsten sind (GJ 1132 b, GJ 357 b, GJ 486 b, HD 260655 b, L168-9 b, LTT 3780 b, LHS 1478 b), diejenigen, die innerhalb der Bewohnbarkeitszone ihres Sterns liegen (Gliese 12 b, LHS 1140 b) und diejenigen, die wegen ihren interessanten Verhalten hervorstechen (Gliese 12 b, Kepler-138 b). Vielleicht könnte man eines Tages Leben auf einem von ihnen finden!
Dies ist doch eine aufregende Zeit für die Exoplanetenforschung!

Das Foto zeigt den Preisträger gemeinsam mit Herrn Philipp Meiser (betreuende Lehrkraft des SGL) und dem Schulleiter, Herr Philipp Wehmann.