Extrasolare Planeten (revisited)

2018-09-24 17:13:33

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Es ist schon ein paar Jahre her, seit wir uns an dieser Stelle mit Exoplaneten auseinandergesetzt haben. Im Jahr 2001 kannte man etwa 100 Planeten außerhalb des Sonnensystems, und diese Planeten waren fast ausnahmslos Giganten.

Heute sind mehr als doppelt so viele Planeten und 20 Planetensysteme bekannt und ständig kommen weitere hinzu. Viele Planeten, die man bisher gefunden hat, sind in der Größenordnung von Jupiter (etwa 320 Erdmassen), bei diesen Riesen sind die Auswirkungen auf den Heimatstern groß genug, um sie anhand der Verschiebung in der Wellenlänge des von dem Stern ausgesandtem Licht zu entdecken.

Es hat sich viel getan und es ist Zeit einmal nachzuschauen auf welchem Stand sich die Suche nach fernen Planeten inzwischen befindet. Die Methoden zum Auffinden von Planeten haben sich nicht wesentlich geändert, aber sie sind mit neueren Instrumenten feiner und empfindlicher geworden.

Wenn ein Planet um seine Sonne kreist, so bewegt sich das Gesamtsystem um den gemeinsamen Schwerpunkt. Der Stern bewegt sich dann auf die Erde zu oder von ihr weg, je nachdem, an welcher Position sich der Planet gerade befindet und das führt zu einer Verschiebung des Lichtspektrums.

Während sich die Sonne von uns entfernt, erscheint das Licht rotverschoben, kommt sie auf uns zu, so verschieben sich die Wellenlängen in Richtung blau – man nennt das Doppler-Effekt. Bisher hat man hierfür das Maximum einer bestimmten Absorptionslinie genommen (Achtung: Maximum der Absorption heißt Minimum der Intensität), d. h. dass beispielsweise der Wasserstoff in der Sternenatmosphäre einen Teil des Sternenlichts aufnimmt, und diese Energie in alle Richtungen wieder abstrahlt. In Richtung des Beobachters sieht man dies als Verringerung der Lichtintensität für die Wellenlänge, die vom Wasserstoff aufgenommen werden kann (mit dieser Methode kann man generell feststellen, aus welchen Elementen sich der Stern zusammensetzt).

Prof. Jian Ge von der Pennsylvania State University und seine Arbeitsgruppe möchten allerdings nicht mehr das Maximum der Absorptionslinie hernehmen, sondern die Ränder, um so eine genauere Geschwindigkeitsbestimmung zu ermöglichen. Die Idee ist einleuchtend, denn auf der einen Seite ist eine Bergkuppe zwar leicht auszumachen, aber wo exakt sich das Maximum befindet, lässt sich auf Grund der sanften Krümmung schwerer bestimmen. An den Kanten (wir gehen von einem sehr steilen Hügel aus) lässt sich viel besser ermitteln, wo sich diese befinden, da die Unterschiede in der Intensität (Höhe) für benachbarte Punkte größer sind als im Maximum (der Kuppe), und die exakte Position des Maximums ist nicht so wichtig, da nur Verschiebungen interessant sind.

Mit diesem Ansatz soll die Geschwindigkeitsmessung um einen Faktor 100 verbessert werden, langfristig auf unter 1 Meter pro Sekunde, das dürfte genügen, um auch kleinere Planeten (in Erdgröße) zu finden.

Manchmal ist es möglich, den Planeten selbst auf einer Aufnahme zu entdecken, auch dazu werden Techniken entwickelt, um den dafür nötigen Kontrast zu erhöhen. Das ist erforderlich, weil der Stern den Planeten in der Regel überstrahlt; um ihn trotzdem zu sehen, muss der Unterschied zwischen den Helligkeiten differenzierbar bleiben, obwohl die Helligkeitsunterschiede so extrem sind.

Bisher kann man mit dieser Methode nur sehr große Planeten find, die genau genommen auch als verhinderte Sterne eingeordnet werden können, wie z. B. Braune Zwerge. Im Labor sind inzwischen Helligkeitsunterschiede von 1:1.000.000 möglich und man hofft das noch auf 1:10 Mrd. steigern zu können; das sollte ausreichen, um sogar den einen oder anderen erdähnlichen Planeten sehen zu können (wenn er nicht zu weit entfernt ist). Und wenn das möglich wird, kann womöglich auch die Atmosphäre des fernen Planeten untersucht werden.

Bisher sind die kleineren Planeten noch nicht direkt beobachtbar, aber manchmal ziehen sie vor ihrem Stern vorbei und man kann sich das Licht der Sterns selbst zu Nutze machen, um etwas über den Planeten herausfinden, das funktioniert zwar nur, wenn die Planetenebene die Beobachtungsrichtung schneidet, liefert dafür aber vielleicht schon früher erste Informationen über die Atmosphäre der Exoplaneten.

Zunächst verringert sich durch den Vorbeizug eines Planeten die Intensität des Sternenlichts und da man eine gute Vorstellung davon hat, ob der Stern so etwas von selbst machen sollte - oder auch in Zusammenhang mit dem Dopplereffekt - kann man dadurch auf die Existenz von Planeten schließen.

Ähnlich wie die Elemente der Sternenatmosphäre wird auch die Gashülle eines Planeten ein Teil des Sonnenlichts absorbieren und so Intensitätsschwankungen bei bestimmten Wellenlängen verursachen, diese sog. Absorptionslinien können dann der Zusammensetzung der Planetenatmosphäre zugeordnet werden. 2001 wurde erstmals die Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt und zwar bei HD209458b, der von einem Gasriesen umkreist wird. Bei kleineren erdähnlichen Planeten wird das allerdings schwieriger werden, denn ihre Gashülle ist komplexer aufgebaut, als die von Gasriesen.

Die Herausforderung besteht also nicht mehr darin, überhaupt Planeten zu finden, darin haben die Astronomen inzwischen Routine, sondern man macht sich jetzt auf die Suche nach Planeten, die der Erde gleichen - mit vergleichbarer Größe, aber vor allem aus Stein und mit einer Oberflächentemperatur von ca. 300 K, so dass man flüssiges Wasser und damit vielleicht sogar Leben erwarten kann..

Bisher ist nur ein einziger Planet gefunden worden (im April 2007), der mit unserer Erde vergleichbar ist, er befindet sich im Orbit um den Roten Riesen Gilese 581 - nur etwas über 20 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Planet umkreist seinen Stern in nur 13 Tagen, befindet sich also sehr dicht an dem Stern, aber als Roter Riese ist Gilese 581 auch viel kälter als unsere Sonne, und die Oberflächentemperatur des Planeten könnte sich genau in dem Bereich befinden, in dem flüssiges Wasser möglich ist. Die Gravitation ist doppelt so hoch wie auf der Erde und die intensive radioaktive Strahlung seiner Sonne könnte die Entwicklung von Leben behindern, aber näher an einer anderen Erde waren die Forscher noch nicht dran.

Ein Grund mehr für die NASA 2015 ihre „Planet Finder Mission“ zu starten, die unsere galaktische Umgebung nach erdähnlichen Planeten durchmustern soll.

Bisher sind die Daten vielversprechend, etwa 7 % der bisher gefunden Planeten befinden sich in einem Abstand von bis zum 3-fachen Abstand Erde-Sonne (gemessen in AU, Astronomischen Einheiten) und Sterne mit höherem Gehalt an Metallen haben auch eher Planeten.

Wir leben in aufregenden Zeiten, selbst wenn ein erdähnlicher Planet gefunden wird, bedeutet das noch lange nicht, dass sich dort auch Leben entwickelt hat, aber wenn es vorhanden sein sollte, werden wir bald in der Lage sein, das auch festzustellen. Von intelligentem Leben ist da natürlich noch keine Rede, aber vielleicht ist es ja auch bald möglich die Auswirkungen einer industrialisierten Gesellschaft auf die Atmosphäre zu detektieren, dann wird es richtig spannend und wir können uns intergalaktisch über die Probleme von Treibhauseffekten Gedanken machen.


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