Auf der Jagd nach Exoplaneten Understand article

Übersetzt von Nicola Reusch. Die Menschen sind seit Jahrtausenden davon fasziniert, dass es Welten jenseits unserer eigenen geben könnte. Jetzt ist es technologisch möglich diese anderen Welten –  Exoplaneten – zu entdecken.

„Es gibt unendlich viele Welten, die der unsrigen ähnlich sind und unendlich viele, die ihr nicht ähnlich sind“, so äußerte sich schon der altgriechische Philosoph und Atomist Epikur im vierten Jahrhundert v. Chr. Doch so wie die griechischen Vorstellungen von einem heliozentrischen Sonnensystem in den Wirren der Geschichte verloren gingen, wurde Epikurs Vorstellung eines grenzenlosen Kosmos von der vorherrschenden Philosophie des Aristoteles verdrängt, der behauptete, dass „es nicht mehr als eine Welt geben kann.“

Es dauerte fast 2000 Jahre, bis die Idee, dass die Erde nicht allein sein könnte, wieder ernst genommen wurde. In Italien schlug der Philosoph Giordano Bruno 1584, auf dem Höhepunkt der Renaissance, vor, dass das Universum unendlich ist und dass die Sterne ferne Sonnen sind, die von „unzähligen Welten“ umkreist werden. Etwa 400 Jahre später, 1992, kam die erste bestätigte Entdeckung einer von Brunos unzähligen Welten durch die Radioastronomen Aleksander Wolszczan und Dale Frail (Wolszczan & Frail, 1992). Wolszczan und Frail hatten einen sich rasend schnell drehenden Pulsar im Sternbild Jungfrau entdeckt. Dieser winzige kollabierte Stern rotiert mehr als 160 Mal pro Sekunde und sendet starke Radiostrahlen aus, die als schnelle Pulsationen über die Erde fegen. Eine Unregelmäßigkeit im Signal führte die Astronomen zu der Schlussfolgerung, dass „der Pulsar von zwei oder mehr Körpern von der Größe eines Planeten umkreist wird.“ Diese Körper wurden zu den ersten bekannten ‚Exoplaneten‘ – Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems. Drei Jahre später wurde ein weiterer Exoplanet von Michel Mayor und Didier Quelozw1 gefunden, diesmal in einer Umlaufbahn um einen sonnenähnlichen Stern namens 51 Pegasi. Es handelte sich um eine außergewöhnliche Welt: ein ‘heißer Jupiter’-ähnlicher Planet, der mindestens 150 Mal massereicher als die Erde ist und seinen Stern noch näher umkreist als der Merkur   unsere Sonne.

Artist’s impression of the pulsar planet system discovered by Wolszczan and Frail
Künstlerische Darstellung des von Wolszczan und Frail entdeckten Pulsar-Planetensystems
NASA/JPL-Caltech
 

Astronomen erkannten, dass es möglich war, Exoplaneten zu entdecken – die Jagd auf weitere Exoplaneten begann. Die Nachweismethoden wurden verbessert, und die Entdeckungen wurden zahlreicher.

Wir kennen mittlerweile mehr als 4000 Exoplaneten. Die meisten befinden sich in der Nähe unseres Sonnensystems, da sie aufgrund ihrer Nähe relativ leicht zu entdecken sind. Es lässt sich deshalb vermuten, dass es allein in unserer Galaxie, der Milchstraßen, bis zu 11 Milliarden erdgroße und potenziell bewohnbare Planeten geben könnte.

Außerirdische Welten

Die Jagd nach Exoplaneten war weitaus erfolgreicher, als die Astronomen einst zu hoffen wagten. Außerirdische Planetensysteme sind allgegenwärtig und überraschend vielfältig, wobei sie häufig unserem Sonnensystem nur wenig ähneln. Es scheint, dass um die meisten Sterne Planeten kreisen, und auch kleine Felsplaneten häufig anzutreffen sind. Auch erdähnliche Welten gibt es vermutlich einige. Dazu zählen solche Planeten, die ihren Mutterstern in der ‘bewohnbaren Zone’ umkreisen und die über flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche  verfügen – ein Zustand, der für das Leben als wesentlich erachtet wird. Auch wurden viele massive, jupiterähnliche Exoplaneten gefunden und  einige sogar als Bild festgehalten. Wir haben sogar Wolken an ihrem Himmel entdecken und mithilfe der Spektralanalyse die Elemente in der Atmosphäre identifizieren können.

Die Jagd auf Exoplaneten steht jedoch vor erheblichen Herausforderungen. Planeten sind viel lichtschwächer und kleiner als die Sterne, die sie umkreisen, so dass wir uns bei der Suche nach ihnen meist auf indirekte Methoden verlassen müssen, anstatt sie direkt abzubilden. Es gibt mehrere verschiedene Ansätze, jeder mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen. In diesem Artikel beleuchten wir einige der wichtigsten Entdeckungsmethoden.

Transitmethode

Wenn ein Exoplanet zufällig vor seinem Mutterstern vorbeifliegt, während wir von der Erde aus zuschauen – ein Phänomen, das in der Astronomie als ‘Transit’ bekannt ist – wird die Helligkeit des Sterns kurzzeitig abnehmen, wenn auch nur um einen winzigen Bruchteil, wie beim Dreifachtransit des Sterns TRAPPIST-1 im Jahr 2015 (Abbildung 1). Mehr als drei Viertel der bekannten Exoplaneten wurden auf diese Weise entdeckt. Die Transitmethode beruht auf einem Glückselement: Da die Bahnneigungen zufällig verteilt sind, sieht man aus unserer Sicht die meisten Exoplaneten nie vor ihrem Stern vorbeiziehen. Um dieses Problem zu umgehen, vermessen Weltraumteleskope wie das Kepler-Teleskop der NASA eine große Anzahl von Sternen über einen langen Zeitraum. Auch Sterne können aufgrund von Oberflächenmerkmalen wie Sternflecken Helligkeitseinbrüche aufweisen, so dass Folgebeobachtungen erforderlich sind, um eine Entdeckung zu bestätigen.
 

Figure 1: Graph showing the changing brightness of the red dwarf star TRAPPIST-1, which is caused by three exoplanets passing in front of the star in quick succession
Abbildung 1: Grafische Darstellung der Helligkeitsänderung des roten Zwergsterns TRAPPIST-1, die durch drei Exoplaneten verursacht wird, die in schneller Folge vor dem Stern vorbeiziehen.
ESO/M Gillon et al., CC BY 4.0
 

Während eines Transits durchquert das Licht des Sterns die Atmosphäre des Exoplaneten, wo bestimmte Wellenlängen selektiv von Elementen und Molekülen in der Atmosphäre absorbiert werden. Das Absorptionsmuster, das wir durch eine Spektralanalyse bestimmen können, dient als chemischer Fingerabdruck, der uns sagt, welche Substanzen vorhanden sind. Solche Studien haben Wasser in Exoplanetenatmosphären nachgewiesen (Tsiaras et al., 2019). Wir können sogar ableiten, ob atmosphärisches Wasser in Form von Dampf oder Flüssigkeit vorliegt.

Astrometrische Methode

Planeten sind weit weniger massereich als Sterne, sie üben aber dennoch eine Anziehungskraft aus. Das gravitative Tauziehen zwischen einem Planeten und seinem Stern führt dazu, dass das Paar einen gemeinsamen Masseschwerpunkt umkreist, der sich oft innerhalb des Sterns selbst befindet, wenn auch nicht genau in der Mitte. Das Ergebnis ist, dass der Stern bei seiner Bewegung auf einer winzigen Bahn um das gemeinsame Massezentrum zu taumeln scheint. Die Anziehungskraft von Jupiter auf die Sonne beispielsweise lässt die Sonne mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 12 m/s taumeln, während sie ein Massezentrum nahe ihrer Oberfläche umläuft. Die Auswirkung aller Planeten unseres Sonnensystems auf die Sonne ist die in Abbildung 2 dargestellte Taumelbahn.
 

Figure 2: The black line shows the wobbling path of the Sun from 1944 to 1997 as the planets of the Solar System pull on it. The yellow circle indicates the Sun’s size
Abbildung 2: Die schwarze Linie zeigt die Taumelbahn der Sonne von 1944 bis 1997, die durch die Gravitation der Planeten des Sonnensystems verursacht wird. Der gelbe Kreis zeigt die Größe der Sonne an.
Carl Smith/Rubik-wuerfel/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
 

Die astrometrische Methode beruht auf der Erkennung dieses verräterischen, aber kaum wahrnehmbaren, kleinen Taumelns in vielen Lichtjahren entfernten Sternen, was hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit der Instrumente stellt. Zur Veranschaulichung: Ein sonnengroßer Stern in 42 Lichtjahren Entfernung (zehnmal weiter als unser nächster Nachbarstern Proxima Centauri) würde unter dem Einfluss eines Planeten wie Jupiter nur um ein Fünftel eines Millionstel-Grades taumeln. Dies entspricht der Bewegung der Internationalen Raumstation von der Erde aus um 1,5 mm in ihrer Umlaufbahn. Die Wirkung eines erdgroßen Planeten wäre etwa 1600 Mal geringer.

Weniger als 0,02 % der bekannten Exoplaneten wurden mit dieser Methode gefunden. Diese Zahl könnte jedoch dank Weltraumteleskopen wie dem des ESA-Satelliten Gaia steigen. Die Ausrüstung von Gaia ist von der Verzerrung der Erdatmosphäre unbeeinflusst und kann Bewegungen bis zu einem Viertelmilliardstel-Grad erkennen.

Radialgeschwindigkeitsmethode

Eine weitere Möglichkeit, die Taumelbewegung eines Sterns zu erkennen, ist die Suche nach Verschiebungen in seinem Spektrum. Dies wird als Radialgeschwindigkeitsmethode bezeichnet und macht sich den Dopplereffekt zunutze – die Verkürzung oder Verlängerung von Wellen aus einer Quelle, die sich auf den Beobachter zu oder von ihm weg bewegt. Wenn sich ein Stern von uns wegbewegt, wird sein Licht zum roten Ende des Spektrums hin verschoben; wenn er sich auf uns zubewegt, wird das Licht zum blauen Ende des Spektrums hin verschoben.

Die durch einen umkreisenden Planeten verursachte Wellenlängenverschiebung ist winzig. Die durch Jupiter verursachte 12-m/s-Bewegung unserer Sonne verschiebt ihre Spektrallinien um nur 0,000004 %. Trotzdem können astronomische Spektroskope bereits Sternbewegungen von weniger als 1 m/s erfassen, und es wird daran gearbeitet, die für die Erfassung erdähnlicher Planeten erforderliche Genauigkeit von 0,1 m/s zu erreichen. Aus diesem Grund ist die Radialgeschwindigkeitsmethode ein Eckpfeiler der Exoplaneten-Astronomie und macht fast 20 % der Entdeckungen seit 2012 aus.

Wie bei anderen Techniken, die zur Jagd auf Exoplaneten eingesetzt werden, lassen sich auch mit der Radialgeschwindigkeitsmethode am leichtesten massive, jupiterähnliche Planeten, die nahe um ihren Stern kreisen, entdecken. Die Radialgeschwindigkeit ist aber auch für Sterne mit vielen schweren Elementen nützlich, da das Licht von solchen Sternen mehr Spektrallinien hat, so dass Dopplerverschiebungen leichter zu erkennen sind.

Direkte Beobachtung

Figure 4: Actual image of the exoplanet HIP 65426b, produced by ESO’s Very Large Telescope. The planet’s star, shown by a cross, has been masked out. The circle indicates the orbit of Neptune on the same scale.
Abbildung 3: Tatsächliches
Bild des Exoplaneten HIP
65426b, erzeugt vom Very
Large Telescope der ESO. Der
Stern des Planeten,
dargestellt durch ein Kreuz,
wurde ausgeblendet. Der
Kreis zeigt die Umlaufbahn
von Neptun im gleichen
Maßstab.

ESO
 

Der ultimative Beweis für die Existenz eines Exoplaneten ist es, ihn auf einem Bild festzuhalten. Die direkte Abbildung erfordert jedoch Teleskope mit unglaublich hoher Auflösung. Je weiter ein Exoplanet entfernt und je näher er seinem Stern ist, desto breiter muss der Sammelspiegel oder die Linse des Teleskops sein, um die beiden Objekte als getrennt aufzulösen. Ein 8-m-Teleskop wäre erforderlich, um Jupiter von unserer Sonne zu trennen, wenn man ihn aus 600 Lichtjahren Entfernung betrachtet, während für die Auflösung der Erde ein 39-m-Teleskop erforderlich wäre. Ein Teleskop genau dieser Größe – das Extremely Large Telescope (ELT)w2 der Europäischen Südsternwarte (ESO) – wird derzeit in der chilenischen Atacamawüste gebaut und soll 2026 mit der Suche nach Exoplaneten beginnen. Noch höhere Auflösungen lassen sich durch die Kombination von Daten mehrerer Teleskope erreichen, die über ein größeres Gebiet angeordnet sind – eine Technik, die als Interferometrie bezeichnet wird.

Die größere Herausforderung, die es zu meistern gilt, ist der extreme Kontrast zwischen der Helligkeit des reflektierten Lichts des Exoplaneten und der des Gaststerns, der bis zu zehn Milliarden Mal heller ist als ein erdähnlicher Exoplanet. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden, ist die Verwendung von Maskierungstechniken, auch Koronagraphen genannt, um das Sternenlicht zu unterdrücken.

Mehr als 100 Exoplaneten sind inzwischen direkt abgebildet worden (Chauvin et al., 2017; siehe Abbildung 3). Wie bei der Transitmethode erlaubt uns die direkte Abbildung, die Lichtspektren von Exoplaneten zu untersuchen und die Elemente in ihren Atmosphären zu identifizieren.

Zukünftige Entwicklungen

Die kommenden Jahre werden für die Exoplanetenforschung wahrscheinlich sehr aufregend, da neue Teleskope in Betrieb genommen und die Nachweismethoden weiter verbessert werden. Ein vielversprechendes Projekt in der Entwicklung ist SPECULOOS, ein Satz von vier 1 m breiten Roboterteleskopen, der sich in der Atacamawüste im Bau befindet. SPECULOOS wird nach erdähnlichen Exoplaneten suchen, die in der Nähe von Sternen mit Oberflächentemperaturen unter 2500 K kreisen.

In den 2020er Jahren werden das James-Webb-Weltraumteleskop (eine Partnerschaft zwischen NASA, ESA und der kanadischen Weltraumbehörde) und Großteleskope wie das ELT die erforderliche Auflösungskraft besitzen, um in den bewohnbaren Zonen um sonnenähnliche Sterne noch viele weitere erdähnliche Planeten zu finden. Die Spektralanalyse und andere Bildverarbeitungstechniken werden es nicht nur ermöglichen, solche Welten zu identifizieren, sondern auch eine chemische Analyse ihrer Atmosphäre zulassen – und nach den verräterischen Anzeichen von Leben, wie wir es kennen, zu suchen.

 

The four telescopes of the PECULOOS Southern Observatory, which will search for Earth-sized exoplanets
Die vier Teleskope der Südsternwarte SPECULOOS, die nach erdgroßen Exoplaneten suchen werden
tau-tec GmbH

Exoplaneten für Schulen

Die Jagd nach Exoplaneten ist nicht professionellen Astronomen mit großer und teurer Ausrüstung vorbehalten. Mit der Transitmethode kann selbst ein bescheidenes 10- bis 20-cm-Teleskop ausreichen, um die Verdunklung eines Sterns zu bestimmen, wenn ein Exoplanet vor ihm vorbeizieht. Es ist unwahrscheinlich, dass Amateurastronomen und Schulen neue Exoplaneten entdecken, aber durch Folgebeobachtungen bekannter Planeten können Sie uns wertvolle Daten liefern, um mehr über diese faszinierenden Welten zu erfahren. Links zu Webseiten, finden Sie im Abschnitt Ressourcen. Viel Spaß bei der Jagd!

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References

Web References

  • w1 – Michel Mayor und Didier Queloz erhielten den Physik-Nobelpreis 2019 für Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite zum Nobelpreis.
  • w2 – Die ESO ist die führende zwischenstaatliche Astronomieorganisation in Europa und das produktivste bodengestützte astronomische Observatorium der Welt mit Hauptsitz in Garching bei München in Deutschland und seinen Teleskopen in Chile.

Resources

Institution

ESO

Author(s)

Wolfgang Vieser ist Astrophysiker und Physiklehrer. Er hat einen Doktortitel in Astrophysik und unterrichtete 14 Jahre lang an einer weiterführenden Schule, bevor er seine Position als Bildungskoordinator der ESO antrat. Sein Hauptaugenmerk liegt darauf, die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse in den Unterricht einzubringen und Lehrer dabei zu unterstützen, die Astronomie als Tor zur Welt der Wissenschaft zu nutzen.


Review

Die Suche nach Exoplaneten scheint eine neue Disziplin in der Astronomie zu sein. Für die Bewohner der Erde ist es interessant zu sehen, ob es dort draußen etwas gibt, das unserem eigenen Planeten ähnlich ist. Vielleicht werden wir bald in der Lage sein, die Frage zu beantworten: Sind wir allein?

Dieser Artikel skizziert die aktuellen Methoden zur Entdeckung von Exoplaneten, bei denen bekannte Prinzipien der Physik und Chemie zum Einsatz kommen. Der Artikel könnte als Verständnisübung verwendet werden, wobei die folgenden Fragen und Herausforderungen einbezogen werden könnten:

  • Was ist ein Exoplanet?
  • Fasse die Geschichte der Entdeckung von Exoplaneten zusammen.
  • Beschreibe eine der Methoden, die zur Entdeckung von Exoplaneten verwendet wird.
  • Wie sieht die Zukunft der Entdeckung von Exoplaneten aus?

Gerd Vogt, Physik- und Techniklehrer, Höhere Fachschule für Umwelt und Wirtschaft, Yspertal, Österreich




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