Die Jagd nach extrasolaren Planeten

von Christoph Kulmann

Planeten, die andere Sterne umkreisen, waren jahrhundertelang nur Spekulation und weit außerhalb der Reichweite selbst der besten Teleskope. Der italienische Mönch Giordano Bruno wurde 1600 auf dem Scheiterhaufen verbrannt, weil er behauptet hatte, die Sterne am Himmel seien weit entfernte Sonnen wie unsere eigene Sonne und umgeben von Planeten ähnlich der Erde. Eine solche Ansicht war der mächtigen Römischen Kirche zu gefährlich. Noch bis weit ins 20. Jahrhundert wusste niemand mit Sicherheit, ob extrasolare Planeten tatsächlich existierten. Sie waren zu schwach für eine direkte Beobachtung. Auch wenn Berichte über ein bis zwei mögliche Planeten um den kosmisch „nahe“ gelegenen Barnards Stern immer wieder aufgegriffen wurden, so gab es doch genügend Zweifel an der Genauigkeit der Messmethode, als dass man diesen Meldungen tatsächlich glauben konnte.

Heute sieht die Wissenslage ganz anders aus. Eine neue Generation modernster und ultraempfindlicher Teleskope hat uns auf diesem Gebiet sehr weit vorangebracht. Wie weit, das stellte uns Dr. Marco Scharringhausen vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen in seinem Vortrag „Die Suche nach Exoplaneten“ am 24. Oktober 2019 an der Universität Bremen vor. Christoph Kulmann vom Science Blog Bremen und Exoplaneten.info war dabei.

Was ist ein Exoplanet?

Sterne entstehen, wenn sich Gaswolken im Raum zwischen den Sternen zusammenziehen und dabei Kugeln aus Wasserstoff und Helium bilden. Bei Planeten geht man davon aus, dass sie sich aus den Staubscheiben bilden, die man um ganz junge Sterne herum beobachten kann. Nach aktueller Definition ist ein Exoplanet ein anderer Himmelskörper als ein Stern, der durch die Schwerkraft an einen anderen Stern als unsere Sonne gebunden ist. Dies schließt eine große Spannbreite von Objekten ein, z.B. HR8799c, der ungefähr die 10-fache Masse des Planeten Jupiter, des massereichsten Planeten unseres Sonnensystems, in sich vereint und  von seinem Stern 38 mal so weit entfernt ist wie die Erde von der Sonne (38 Astronomische Einheiten oder 38 AE; 1 AE entspricht 150 Millionen Kilometer oder 3.750 Reisen um den Äquator der Erde). Am anderen Ende der Skala findet man Objekte wie Corot-7b, ein Planet mit etwa 20.000 Kilometern Durchmesser, der seinen Stern in einer Entfernung von nur 2,5 Millionen Kilometern in 20 Stunden einmal umkreist. Dies entspricht lediglich 0,017 AE oder weniger als 2% der Entfernung von der Erde zur Sonne.

Die kryptischen Namen entstehen aus den internationalen Regeln zur Benennung von Exoplaneten. Die einzelnen Sterne in Doppel- und Mehrfachsystemen benennt man bereits mit dem Namen des Systems (z.B. Alpha Centauri), wobei man den einzelnen Sternen Großbuchstaben zuweist (z.B. Alpha Centauri A und Alpha Centauri B). Für die Planeten hat man dieses System erweitert und gibt ihnen kleine Buchstaben, angefangen mit “b”. Ein Planet in einer Umlaufbahn um den Stern Alpha Centauri A bekäme dann den Namen “Alpha Centauri A b”.

Die meisten Sterne haben allerdings keine richtigen Namen – dafür sind es einfach viel zu viele – sondern Katalog- oder Kampagnennummern. Das ändert aber nichts an der Namensgebung für die Exoplaneten. Man behält einfach die Nummer bei und ergänzt die Planeten mit “b”, “c”, “d” usw. So erhält zum Beispiel der beim oben genannten Stern HR8799 gefundene Planet den Namen “HR8799 b” oder der um den Stern Corot-7 nachgewiesene Planet den Namen “Corot-7 b”.

Warum sind Exoplaneten interessant?

Warum wollen wir überhaupt etwas über Exoplaneten wissen? Anhand von Exoplaneten können wir viel über Planetensysteme allgemein lernen. Das ist wichtig – immerhin befinden wir uns selbst in einem Planetensystem. Wir können etwas über die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen lernen und diese Erkenntnisse mit unserem eigenen Sonnensystem vergleichen. Ist unser Sonnensystem „typisch“ für die Situation eines Planetensystems „da draußen“? In welchem Stadium der Entwicklung befindet sich unser Sonnensystem? Welche weiteren Entwicklungen können wir erwarten? Wie normal oder ungewöhnlich sind unsere eigenen acht Planeten und die Erde selbst? Welchen Zusammenhang gibt es zwischen den Eigenschaften eines Sterns und seinen Planeten? Wie entwickeln sich die Atmosphären und Umlaufbahnen von Planeten und zu guter Letzt: Gibt es Lebewesen auf anderen Planeten und können wir mit den Teleskopen Anzeichen dafür erkennen?

Überraschende Entdeckung

Die Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 war eine Überraschung. Der Schweizer Professor Michel Mayor und sein Mitarbeiter Didier Queloz der Universität Genf untersuchten den fast 48 Lichtjahre entfernten Stern 51 Pegasi mit einem hochauflösenden Spektrografen (ein Spektrograf zerlegt Licht in seine einzelnen Wellenlängen und analysiert es). Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt – 9,46 Billionen Kilometer. In den Aufnahmen ihres Spektrografen konnten die beiden Wissenschaftler erkennen, dass 51 Pegasi sich bewegt – und zwar nicht mit zufälligen Bewegungen, sondern regelmäßig. Für Mayor und Queloz sah es so aus, als ob 51 Pegasi sich in regelmäßigen Abständen vor und zurück bewegte – als ob ein unsichtbares, aber schweres Objekt mit seiner eigenen Schwerkraft an dem Stern zöge. Nach Abzug aller denkbaren, aber unmöglichen Erklärungen und Störungsquellen, wie zum Beispiel Bewegungen von Ausbrüchen des Sterns selber, blieb nur eine einzige Erklärung übrig. Nur ein Planet konnte die beobachteten Schwankungen in der Bewegung 51 Pegasis erklären – beide Himmelskörper bewegten sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt.

In einem Planetensystem zieht nicht nur die Schwerkraft des Sternes an seinem Planeten, sondern umgekehrt zieht auch die Schwerkraft des Planeten an seinem Stern – wenn auch viel schwächer. Dies führt dazu, dass sich der Planet nicht um den Stern als Mittelpunkt bewegt, sondern beide – Stern und Planet – bewegen sich um den gemeinsamen Schwerpunkt. Ist der Planet massereich oder dem Stern nahe genug, so kann man diese Bewegung des Sterns mit Teleskopen aufspüren. Indirekt erhält man damit Informationen über die Masse und die Umlaufzeit des Planeten.

Und es war ein ganz besonderer Planet. Mindestens halb so schwer wie Jupiter, umrundete der Planet 51 Pegasi b seinen Stern einmal in 4,2 Tagen. Das bedeutete, dass dieser Planet nur 7,8 Millionen Kilometer von seinem Stern entfernt sein musste. So dicht an seinem Stern sollte die Temperatur im Schnitt 982°C betragen. Auch die Masse des Planeten gab den Forschern Rätsel auf. Mit der halben Masse des Jupiters – über den Durchmesser des Planeten erfuhren die Astronomen mit dieser Methode nichts – hatte man es scheinbar mit einem Gasplaneten zu tun. Analog zu unserem eigenen Sonnensystem sollte dieser neu entdeckte Planet aus leichten Gasen wie Wasserstoff, Helium, Methan, Ammoniak oder Kohlendioxid bestehen. Doch wie um alles in der Welt sollte sich so nahe am Stern ein Gasplanet bilden können, wenn die Strahlung des Sterns die leichten Gase in die äußeren, kühleren Bereiche des Planetensystems verdrungen hatt? Man schien mit dem ersten Exoplaneten gleich ein besonderes ungewöhnliches Exemplar gefunden zu haben.

Heute wissen wir, dass Planeten wie 51 Pegasi b – der inzwischen auch Dimidium, „die Hälfte (von Jupiter)“ genannt wird, gar nicht ungewöhnlich sind, sondern eine eigene Klasse von Exoplaneten bilden: Die „heißen Jupiter“. Es sind die vergleichsweise starken Bewegungen, welche diese riesigen Planeten auf ihren nahe gelegenen Stern übertragen und in den Spektrografen sichtbar wurden, die dazu führten, dass man diese Planeten am besten und somit als Allererste aufspüren konnte.

Ein breites Spektrum von Methoden

Bei der Entdeckung von 51 Pegasi b wurde die zur Seite gerichtete Bewegung des Sterns gemessen, die Radialgeschwindigkeit. Da man in den meisten Fällen zunächst nicht weiß, in welchem Winkel wir von der Erde aus auf die Planetenbahn schauen, liefert diese Methode neben der Umlaufzeit eine untere Grenze für die Masse des Planeten. So kann 51 Pegasi b durchaus schwerer sein als die Hälfte der Masse des Jupiter. Es gibt aber heute noch mehrere andere Messverfahren.

Bei der Messung der radialen Geschwindigkeit wird die seitliche Bewegung eines Sterns gemessen, wodurch Rückschlüsse auf Planeten und andere Begleiter möglich sind. Stern und Planet ziehen sich gegenseitig an. Dabei ziehen massereiche Planeten am stärksten an ihrem Stern. Am besten ist der Effekt sichtbar, wenn die Umlaufbahn des Planeten genau in der Beobachtungsebene liegt (0° Neigung). Je stärker die Neigung der Bahn, desto geringer wird die messbare radiale Geschwindigkeit, z. B. bei einer Bahnneigung von 45°. Bei einer Neigung von 90° ist die radiale Geschwindigkeit Null. Weil man die Neigung der Planetenbahn zunächst nicht kennt, liefert diese Methode eine untere Grenze für die Masse des Planeten, mit reichlich Spielraum nach oben.

Am Überzeugendsten ist natürlich immer noch ein direktes Foto eines Planeten. In den allermeisten Fällen ist dies jedoch nicht möglich, weil der viel heller leuchtende Stern das vergleichsweise schwach reflektierte Licht des Planeten komplett überstrahlt. Es gibt jedoch einige glückliche Ausnahmen, bei denen der Planet sehr groß, sehr heiß und von seinem Stern sehr weit entfernt ist. Eines dieser Beispiele ist der Planet Beta Pictoris b. Diesen Planeten konnte man sogar so oft fotografieren, dass aus den Aufnahmen inzwischen ein kleiner Film entstanden ist. Darauf sieht man sehr deutlich, dass der Planet seinen Stern umrundet.

Eine andere, geniale Methode macht sich die Verdunkelung zunutze, die ein Planet bei seinem Stern verursacht, wenn er genau in der Sichtlinie zwischen dem Stern und dem Teleskop vorbeizieht (Transitmethode). Zu diesem Zweck wurde eigens das Kepler-Teleskop mit einem hochempfindlichen Belichtungsmesser gebaut und in den Weltraum geschossen. Das Kepler-Teleskop hatte einen kleinen Ausschnitt des Himmels – ein Feld, das etwa 1% des Sternenhimmels ausmacht –– immer wieder beobachtet und dabei nach winzigen, aber regelmäßigen Schwankungen der Helligkeit der Sterne in diesem Gebiet gesucht. Dabei war die Empfindlichkeit des Teleskops so hoch, dass Kepler auch noch Verdunkelungen von einem Zehntausendstel der Helligkeit eines entfernten Sterns aufnehmen konnte. Aus den Daten des Kepler-Teleskops erfahren wir zwar nichts über die Masse des Planeten, jedoch gibt uns die Dauer und Stärke der Verdunkelung Hinweise auf den Durchmesser des Planeten. Die von Kepler beobachteten Sterne sind alle zwischen 300 und 3.000 Lichtjahren von uns entfernt. Das Teleskop lieferte so unglaublich viele Daten, dass die allermeisten der inzwischen über 4.000 bestätigten Exoplaneten aus dem Kepler-Projekt hervorgegangen sind. Kepler war besonders gut dafür geeignet, große Planeten in der Umgebung kleiner Sterne aufzuspüren – in dieser Kombination sind die Helligkeitsschwankungen beim Durchzug des Planeten am größten. Kepler verdanken wir die Entdeckung vieler erdgroßer Planeten und sogar etlicher Systeme mit mehreren Planeten.

Künstlerische Darstellung eines Exoplaneten in einem Sternensystem mit drei Sonnen. Der namenlose Planet umkreist einen leuchtschwachen Roten Zwergstern innerhalb der bewohnbaren Zone. Der Zwergstern wiederum umkreist seinerseits ein massereicheres Sternenpaar in größerer Entfernung. Planeten in Systemen mit mehr als einem Stern wurden bereits beobachtet.

Ein Exoplanet vor unserer Haustür

Der uns am nächsten gelegene Exoplanet umkreist tatsächlich unseren allernächsten stellaren Nachbarn: Proxima Centauri, der wiederum als weit entfernter Partner zum Doppelsternsystem Alpha Centauri gehört. Proxima Centauri befindet sich 4,24 Lichtjahre von uns entfernt. Es ist ein sehr leuchtschwacher, roter Stern, der nur etwas mehr als ein zehntel Promille der Energiemenge unserer Sonne abgibt – verglichen mit unserer sehr schönen Sonne ist dieser Stern eine kleine, trübe Funzel. Der dort beobachtete Planet Proxima Centauri ist mindestens 1,3-mal so schwer und erhält etwa 65% soviel Licht wie die Erde. In einer Entfernung von nur 7 Millionen Kilometern umrundet er den Stern einmal in 11 Tagen.

Über die genaue Natur und Zusammensetzung des Proximaplaneten besteht noch Unklarheit. Man hat den Planeten nicht direkt sehen können, sondern ihn mittels der Radialgeschwindigkeit aufgespürt. Als mögliche Szenarien steht ein breites Spektrum von einem Wüstenplaneten bis hin zu einem Ozeanplaneten zur Diskussion.

Allerdings ist Proxima Centauri nicht nur viel kleiner als unsere Sonne. Auf seiner Oberfläche ereignen sich auch unvorstellbar starke Strahlungsausbrüche. Bei einem dieser Ausbrüche im Jahr 2016 wurde der gesamte Stern für ein paar Minuten um das 68-fache heller! Man konnte den sonst für das bloße Auge zu schwachen Stern sogar ohne Teleskop sehen. Proxima Centauri ist seit langem dafür bekannt, so stark zu flackern. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die gigantischen Ausbrüche jedes Leben auf dem Planeten unmöglich machen. Selbst eine Atmosphäre könnte dadurch inzwischen vollständig in den Weltraum entwichen sein. Proxima Centauri b ist sicher kein gemütlicher Planet.

Weit entfernte Planeten

Die bislang am weitesten von der Erde entfernten und bestätigten Exoplaneten sind zwei ungefähr jupitergroße Planeten des Sterns SWEEPS J175902.67−291153.5 in etwa 27.700 Lichtjahren Entfernung.

Gelegentlich wird auch die Entdeckung von Planeten in anderen Galaxien gemeldet. Dies sind dann extragalaktische Exoplaneten. Allerdings machen sich diese Objekte anhand von Effekten bemerkbar, die nur einmal aufgezeichnet werden und nicht wiederholbar sind. Man kann daher nicht mit Sicherheit sagen, ob diese Planeten tatsächlich existieren.

Selbst der Nachweis von Exomonden, also Monden von Exoplaneten, ist grundsätzlich möglich und derzeit das Ziel mehrerer Forschungen.

Vor kurzem vermeldete das ZDF sogar den Fall eines 17-jährigen Schülerpraktikanten bei der NASA, der bei der Auswertung von Daten mit TOI 1338 b seinen eigenen, ganz besonderen Planeten entdeckt hat: TOI 1338 b ist etwa siebenmal so groß wie die Erde und gehört zu den ganz wenigen Planeten,  die tatsächlich zwei Sonnen umkreisen. Man muss also nicht unbedingt studiert haben, um neue Planeten zu finden. Manchmal genügt es auch, einfach zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu sein und an den richtigen Aufgaben zu arbeiten.

Alles in allem stehen wir noch am Anfang, die tatsächliche Vielfalt der Exoplaneten zu erfassen. Die bisher gemachten Entdeckungen lassen jedoch erahnen, dass sich in den Weiten des Universums noch viel mehr verbirgt – vielleicht sogar ein Planet ähnlich der Erde?

Dieser Artikel basiert auf Herrn Dr. Scharringhausens Vortrag in Bremen und wurde an einigen Stellen erweitert.

Literatur und Links

Kepler-Weltraumteleskop:

https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/overview/index.html

TESS – Transiting Exoplanet Survey Satellite:

https://www.nasa.gov/tess-transiting-exoplanet-survey-satellite

CoRoT-Weltraumteleskop:

https://corot.cnes.fr/en/COROT/index.htm

Hubble SWEEPS Field:

https://hubblesite.org/image/1955/news/100-sweeps

GAIA-Weltraumteleskop:

http://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia_overview

James-Webb-Weltraumteleskop:

https://www.jwst.nasa.gov/

Exoplaneten.info:

http://exoplaneten.info/

The Extrasolar Planets Encyclopedia:

http://exoplanet.eu/

51 Pegasi b bei der NASA:

https://exoplanets.nasa.gov/resources/289/infographic-profile-of-planet-51-pegasi-b/

Meldung des ZDF zu TOI 1338 b:

https://www.zdf.de/nachrichten/panorama/nasa-praktikant-entdeckt-welt-mit-zwei-sonnen-100.html