{"id":943,"date":"2020-02-27T12:48:10","date_gmt":"2020-02-27T11:48:10","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=943"},"modified":"2021-03-18T13:45:13","modified_gmt":"2021-03-18T12:45:13","slug":"die-jagd-nach-extrasolaren-planeten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2020\/02\/27\/die-jagd-nach-extrasolaren-planeten\/","title":{"rendered":"Die Jagd nach extrasolaren Planeten"},"content":{"rendered":"

von Christoph Kulmann<\/a><\/em><\/p>\n

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Planeten, die andere Sterne umkreisen, waren jahrhundertelang nur Spekulation und weit au\u00dferhalb der Reichweite selbst der besten Teleskope. Der italienische M\u00f6nch 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 \u00e4hnlich der Erde. Eine solche Ansicht war der m\u00e4chtigen R\u00f6mischen Kirche zu gef\u00e4hrlich. Noch bis weit ins 20. Jahrhundert wusste niemand mit Sicherheit, ob extrasolare Planeten tats\u00e4chlich existierten. Sie waren zu schwach f\u00fcr eine direkte Beobachtung. Auch wenn Berichte \u00fcber ein bis zwei m\u00f6gliche Planeten um den kosmisch \u201enahe\u201c gelegenen Barnards Stern immer wieder aufgegriffen wurden, so gab es doch gen\u00fcgend Zweifel an der Genauigkeit der Messmethode, als dass man diesen Meldungen tats\u00e4chlich glauben konnte.<\/strong><\/p>\n

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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 f\u00fcr Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen in seinem Vortrag \u201eDie Suche nach Exoplaneten\u201c am 24. Oktober 2019 an der Universit\u00e4t Bremen vor. Christoph Kulmann vom Science Blog Bremen und Exoplaneten.info<\/a> war dabei.<\/p>\n

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Was ist ein Exoplanet?<\/h3>\n

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 Himmelsk\u00f6rper als ein Stern, der durch die Schwerkraft an einen anderen Stern als unsere Sonne gebunden ist. Dies schlie\u00dft eine gro\u00dfe Spannbreite von Objekten ein, z.B. HR8799c, der ungef\u00e4hr die 10-fache Masse des Planeten Jupiter, des massereichsten Planeten unseres Sonnensystems, in sich vereint und\u00a0 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 \u00c4quator 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.<\/p>\n

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 Gro\u00dfbuchstaben zuweist (z.B. Alpha Centauri A und Alpha Centauri B). F\u00fcr die Planeten hat man dieses System erweitert und gibt ihnen kleine Buchstaben, angefangen mit \u201cb\u201d. Ein Planet in einer Umlaufbahn um den Stern Alpha Centauri A bek\u00e4me dann den Namen \u201cAlpha Centauri A b\u201d.<\/p>\n

Die meisten Sterne haben allerdings keine richtigen Namen – daf\u00fcr sind es einfach viel zu viele – sondern Katalog- oder Kampagnennummern. Das \u00e4ndert aber nichts an der Namensgebung f\u00fcr die Exoplaneten. Man beh\u00e4lt einfach die Nummer bei und erg\u00e4nzt die Planeten mit \u201cb\u201d, \u201cc\u201d, \u201cd\u201d usw. So erh\u00e4lt zum Beispiel der beim oben genannten Stern HR8799 gefundene Planet den Namen \u201cHR8799 b\u201d oder der um den Stern Corot-7 nachgewiesene Planet den Namen \u201cCorot-7 b\u201d.<\/p>\n

Warum sind Exoplaneten interessant?<\/h3>\n

Warum wollen wir \u00fcberhaupt etwas \u00fcber Exoplaneten wissen? Anhand von Exoplaneten k\u00f6nnen wir viel \u00fcber Planetensysteme allgemein lernen. Das ist wichtig \u2013 immerhin befinden wir uns selbst in einem Planetensystem. Wir k\u00f6nnen etwas \u00fcber die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen lernen und diese Erkenntnisse mit unserem eigenen Sonnensystem vergleichen. Ist unser Sonnensystem \u201etypisch\u201c f\u00fcr die Situation eines Planetensystems \u201eda drau\u00dfen\u201c? In welchem Stadium der Entwicklung befindet sich unser Sonnensystem? Welche weiteren Entwicklungen k\u00f6nnen wir erwarten? Wie normal oder ungew\u00f6hnlich 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 Atmosph\u00e4ren und Umlaufbahnen von Planeten und zu guter Letzt: Gibt es Lebewesen auf anderen Planeten und k\u00f6nnen wir mit den Teleskopen Anzeichen daf\u00fcr erkennen?<\/p>\n

\u00dcberraschende Entdeckung<\/h3>\n

Die Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 war eine \u00dcberraschung. Der Schweizer Professor Michel Mayor und sein Mitarbeiter Didier Queloz der Universit\u00e4t Genf untersuchten den fast 48 Lichtjahre entfernten Stern 51 Pegasi mit einem hochaufl\u00f6senden Spektrografen (ein Spektrograf zerlegt Licht in seine einzelnen Wellenl\u00e4ngen und analysiert es). Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht innerhalb eines Jahres zur\u00fccklegt \u2013 9,46 Billionen Kilometer. In den Aufnahmen ihres Spektrografen konnten die beiden Wissenschaftler erkennen, dass 51 Pegasi sich bewegt \u2013 und zwar nicht mit zuf\u00e4lligen Bewegungen, sondern regelm\u00e4\u00dfig. F\u00fcr Mayor und Queloz sah es so aus, als ob 51 Pegasi sich in regelm\u00e4\u00dfigen Abst\u00e4nden vor und zur\u00fcck bewegte \u2013 als ob ein unsichtbares, aber schweres Objekt mit seiner eigenen Schwerkraft an dem Stern z\u00f6ge. Nach Abzug aller denkbaren, aber unm\u00f6glichen Erkl\u00e4rungen und St\u00f6rungsquellen, wie zum Beispiel Bewegungen von Ausbr\u00fcchen des Sterns selber, blieb nur eine einzige Erkl\u00e4rung \u00fcbrig. Nur ein Planet konnte die beobachteten Schwankungen in der Bewegung 51 Pegasis erkl\u00e4ren – beide Himmelsk\u00f6rper bewegten sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt.<\/p>\n

\"Gemeinsamer

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 schw\u00e4cher. Dies f\u00fchrt 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 aufsp\u00fcren. Indirekt erh\u00e4lt man damit Informationen \u00fcber die Masse und die Umlaufzeit des Planeten.<\/p><\/div>\n

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\u00b0C betragen. Auch die Masse des Planeten gab den Forschern R\u00e4tsel auf. Mit der halben Masse des Jupiters – \u00fcber 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 k\u00f6nnen, wenn die Strahlung des Sterns die leichten Gase in die \u00e4u\u00dferen, k\u00fchleren Bereiche des Planetensystems verdrungen hatt? Man schien mit dem ersten Exoplaneten gleich ein besonderes ungew\u00f6hnliches Exemplar gefunden zu haben.<\/p>\n

Heute wissen wir, dass Planeten wie 51 Pegasi b \u2013 der inzwischen auch Dimidium, \u201edie H\u00e4lfte (von Jupiter)\u201c genannt wird, gar nicht ungew\u00f6hnlich sind, sondern eine eigene Klasse von Exoplaneten bilden: Die \u201ehei\u00dfen Jupiter\u201c. Es sind die vergleichsweise starken Bewegungen, welche diese riesigen Planeten auf ihren nahe gelegenen Stern \u00fcbertragen und in den Spektrografen sichtbar wurden, die dazu f\u00fchrten, dass man diese Planeten am besten und somit als Allererste aufsp\u00fcren konnte.<\/p>\n

Ein breites Spektrum von Methoden<\/h3>\n

Bei der Entdeckung von 51 Pegasi b wurde die zur Seite gerichtete Bewegung des Sterns gemessen, die Radialgeschwindigkeit<\/b>. Da man in den meisten F\u00e4llen zun\u00e4chst nicht wei\u00df, in welchem Winkel wir von der Erde aus auf die Planetenbahn schauen, liefert diese Methode neben der Umlaufzeit eine untere Grenze f\u00fcr die Masse des Planeten. So kann 51 Pegasi b durchaus schwerer sein als die H\u00e4lfte der Masse des Jupiter. Es gibt aber heute noch mehrere andere Messverfahren.<\/p>\n

\"Messung<\/a>

Bei der Messung der radialen Geschwindigkeit wird die seitliche Bewegung eines Sterns gemessen, wodurch R\u00fcckschl\u00fcsse auf Planeten und andere Begleiter m\u00f6glich sind. Stern und Planet ziehen sich gegenseitig an. Dabei ziehen massereiche Planeten am st\u00e4rksten an ihrem Stern. Am besten ist der Effekt sichtbar, wenn die Umlaufbahn des Planeten genau in der Beobachtungsebene liegt (0\u00b0 Neigung). Je st\u00e4rker die Neigung der Bahn, desto geringer wird die messbare radiale Geschwindigkeit, z. B. bei einer Bahnneigung von 45\u00b0. Bei einer Neigung von 90\u00b0 ist die radiale Geschwindigkeit Null. Weil man die Neigung der Planetenbahn zun\u00e4chst nicht kennt, liefert diese Methode eine untere Grenze f\u00fcr die Masse des Planeten, mit reichlich Spielraum nach oben.<\/p><\/div>\n

Am \u00dcberzeugendsten ist nat\u00fcrlich immer noch ein direktes Foto eines Planeten<\/b>. In den allermeisten F\u00e4llen ist dies jedoch nicht m\u00f6glich, weil der viel heller leuchtende Stern das vergleichsweise schwach reflektierte Licht des Planeten komplett \u00fcberstrahlt. Es gibt jedoch einige gl\u00fcckliche Ausnahmen, bei denen der Planet sehr gro\u00df, sehr hei\u00df 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.<\/p>\n

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<\/b>). 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 \u2013 ein Feld, das etwa 1% des Sternenhimmels ausmacht \u2013\u2013 immer wieder beobachtet und dabei nach winzigen, aber regelm\u00e4\u00dfigen 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 \u00fcber die Masse des Planeten, jedoch gibt uns die Dauer und St\u00e4rke 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 \u00fcber 4.000 best\u00e4tigten Exoplaneten aus dem Kepler-Projekt hervorgegangen sind. Kepler war besonders gut daf\u00fcr geeignet, gro\u00dfe Planeten in der Umgebung kleiner Sterne aufzusp\u00fcren \u2013 in dieser Kombination sind die Helligkeitsschwankungen beim Durchzug des Planeten am gr\u00f6\u00dften. Kepler verdanken wir die Entdeckung vieler erdgro\u00dfer Planeten und sogar etlicher Systeme mit mehreren Planeten.<\/p>\n

\"Dreifacher<\/a>

K\u00fcnstlerische 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 gr\u00f6\u00dferer Entfernung. Planeten in Systemen mit mehr als einem Stern wurden bereits beobachtet.<\/p><\/div>\n

Ein Exoplanet vor unserer Haust\u00fcr<\/h3>\n

Der uns am n\u00e4chsten gelegene Exoplanet umkreist tats\u00e4chlich unseren allern\u00e4chsten stellaren Nachbarn: Proxima Centauri<\/b>, der wiederum als weit entfernter Partner zum Doppelsternsystem Alpha Centauri geh\u00f6rt. 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 \u2013 verglichen mit unserer sehr sch\u00f6nen Sonne ist dieser Stern eine kleine, tr\u00fcbe Funzel. Der dort beobachtete Planet Proxima Centauri ist mindestens 1,3-mal so schwer und erh\u00e4lt etwa 65% soviel Licht wie die Erde. In einer Entfernung von nur 7 Millionen Kilometern umrundet er den Stern einmal in 11 Tagen.<\/p>\n

\u00dcber die genaue Natur und Zusammensetzung des Proximaplaneten besteht noch Unklarheit. Man hat den Planeten nicht direkt sehen k\u00f6nnen, sondern ihn mittels der Radialgeschwindigkeit aufgesp\u00fcrt. Als m\u00f6gliche Szenarien steht ein breites Spektrum von einem W\u00fcstenplaneten bis hin zu einem Ozeanplaneten zur Diskussion.<\/p>\n

Allerdings ist Proxima Centauri nicht nur viel kleiner als unsere Sonne. Auf seiner Oberfl\u00e4che ereignen sich auch unvorstellbar starke Strahlungsausbr\u00fcche<\/b>. Bei einem dieser Ausbr\u00fcche im Jahr 2016 wurde der gesamte Stern f\u00fcr ein paar Minuten um das 68-fache heller! Man konnte den sonst f\u00fcr das blo\u00dfe Auge zu schwachen Stern sogar ohne Teleskop sehen. Proxima Centauri ist seit langem daf\u00fcr bekannt, so stark zu flackern. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die gigantischen Ausbr\u00fcche jedes Leben auf dem Planeten unm\u00f6glich machen. Selbst eine Atmosph\u00e4re k\u00f6nnte dadurch inzwischen vollst\u00e4ndig in den Weltraum entwichen sein. Proxima Centauri b ist sicher kein gem\u00fctlicher Planet.<\/p>\n

Weit entfernte Planeten<\/h3>\n

Die bislang am weitesten von der Erde entfernten und best\u00e4tigten Exoplaneten sind zwei ungef\u00e4hr jupitergro\u00dfe Planeten des Sterns SWEEPS J175902.67\u2212291153.5 in etwa 27.700 Lichtjahren Entfernung.<\/p>\n

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 tats\u00e4chlich existieren.<\/p>\n

Selbst der Nachweis von Exomonden<\/b>, also Monden von Exoplaneten, ist grunds\u00e4tzlich m\u00f6glich und derzeit das Ziel mehrerer Forschungen.<\/p>\n

Vor kurzem vermeldete das ZDF sogar den Fall eines 17-j\u00e4hrigen Sch\u00fclerpraktikanten<\/b> 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 gro\u00df wie die Erde und geh\u00f6rt zu den ganz wenigen Planeten,\u00a0 die tats\u00e4chlich zwei Sonnen umkreisen. Man muss also nicht unbedingt studiert haben, um neue Planeten zu finden. Manchmal gen\u00fcgt es auch, einfach zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu sein und an den richtigen Aufgaben zu arbeiten.<\/p>\n

Alles in allem stehen wir noch am Anfang, die tats\u00e4chliche Vielfalt der Exoplaneten zu erfassen. Die bisher gemachten Entdeckungen lassen jedoch erahnen, dass sich in den Weiten des Universums noch viel mehr verbirgt \u2013 vielleicht sogar ein Planet \u00e4hnlich der Erde?<\/p>\n

Dieser Artikel basiert auf Herrn Dr. Scharringhausens Vortrag in Bremen und wurde an einigen Stellen erweitert.<\/i><\/p>\n

Literatur und Links<\/h3>\n

Kepler-Weltraumteleskop:<\/b><\/p>\n

https:\/\/www.nasa.gov\/mission_pages\/kepler\/overview\/index.html<\/a><\/p>\n

TESS \u2013 Transiting Exoplanet Survey Satellite:<\/b><\/p>\n

https:\/\/www.nasa.gov\/tess-transiting-exoplanet-survey-satellite<\/a><\/p>\n

CoRoT-Weltraumteleskop:<\/b><\/p>\n

https:\/\/corot.cnes.fr\/en\/COROT\/index.htm<\/a><\/p>\n

Hubble SWEEPS Field:<\/b><\/p>\n

https:\/\/hubblesite.org\/image\/1955\/news\/100-sweeps<\/a><\/p>\n

GAIA-Weltraumteleskop:<\/b><\/p>\n

http:\/\/www.esa.int\/Science_Exploration\/Space_Science\/Gaia_overview<\/a><\/p>\n

James-Webb-Weltraumteleskop:<\/b><\/p>\n

https:\/\/www.jwst.nasa.gov\/<\/a><\/p>\n

Exoplaneten.info:<\/b><\/p>\n

http:\/\/exoplaneten.info\/<\/a><\/p>\n

The Extrasolar Planets Encyclopedia:<\/b><\/p>\n

http:\/\/exoplanet.eu\/<\/a><\/p>\n

51 Pegasi b bei der NASA:<\/b><\/p>\n

https:\/\/exoplanets.nasa.gov\/resources\/289\/infographic-profile-of-planet-51-pegasi-b\/<\/a><\/p>\n

Meldung des ZDF zu TOI 1338 b:<\/b><\/p>\n

https:\/\/www.zdf.de\/nachrichten\/panorama\/nasa-praktikant-entdeckt-welt-mit-zwei-sonnen-100.html<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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