Extrasolare Planeten

Es war einmal

Wir sind nicht allein - der erste Exoplanet

Es war einmal ein sehr einsames und verlassenes Universum, nämlich als es noch sehr jung war. Nachdem sich die Strahlung von der Materie abkoppelte - im Alter von 379 000 Jahren - wurde es zunächst für lange Zeit recht finster. Es gab nicht einen einzigen Stern, der das All hätte erhellen können. Erst im Zeitraum zwischen 100 und 200 Millionen Jahren flammten die ersten Sterne auf.

Zu dieser Zeit und für viele weitere Jahre hätte ein Beobachter vergeblich Ausschau nach Planeten, Monden, Kometen oder sonstigen Himmelskörpern gehalten. Alle vorhandene Materie bestand lediglich aus Wasserstoff und ein wenig Helium. Aus diesen beiden Elementen konnten nur große Kugeln aus Gas entstehen, eben die ersten Sterne. Die waren dann auch wahrhaft groß, 200, 500, ja sogar vielleicht bis zu 1000 Sonnemassen schwer waren diese Giganten. In ihrem Innern müssen im Vergleich zu den heutigen Sternen höllische Bedingungen geherrscht haben. Durch diese ungeheuren Massen entstanden immense Drucke und Temperaturen im Innern, so dass die Fusionen rasend schnell abliefen. Schon nach ein paar Millionen Jahren vergingen diese Boliden als Hypernova - es müssen die heftigsten Explosionen gewesen sein, die unser Kosmos je erlebte.

Aber das war auch gut so! Denn in den Sternen wurden durch die Fusionen ja neue, noch nie dagewesene Elemente ausgebrütet und durch die Energie der Explosionen kamen weitere hinzu. Sie wurden nun ins All ausgestoßen und kondensierten zu Staubkörnchen, die sich mit den Gaswolken vermischten. Hier tragen die Staubteilchen einen wesentlichen Beitrag zur Kühlung der kontrahierenden Wolke und daraus resultieren im Endeffekt viel masseärmere Sterne, die jetzt aber eine deutlich längere Lebensdauer haben. Das wiederum ist Voraussetzung für die Ausbildung von Planeten (welche ebenfalls aus einer den jungen Stern umgebendendem Staubscheibe auskondensieren) und letzten Endes für die Entwicklung von Leben.

Wir können also festhalten, dass die ersten Sterne keinerlei Planeten aufweisen konnten. Erst spätere Sterngenerationen konnten sich mit diesen Begleitern schmücken. Und uns ist klar, dass alles im Universum, was aus anderen Elementen besteht als Wasserstoff und Helium (also auch wir selbst), nichts anderes ist als die Brennasche längst vergangener Sterngenerationen.

Wir sind nicht allein - der erste Exoplanet

Damit liegt es auf der Hand festzustellen, dass die Erde bzw. unser Sonnensystem kein Einzelfall sein kann. Die beschriebenen Vorgänge laufen überall im Universum nach gleichem Schema ab, denn die Naturgesetze haben im gesamten Kosmos Gültigkeit. Damit sind überall, wo es große Gas- und Staubwolken gibt, die Voraussetzungen für die Bildung von Planeten und vielleicht auch für Leben gegeben.

Aus diesen Überlegungen heraus haben Astronomen und Astrophysiker schon lange vermutet, dass es eine Menge extrasolarer Planeten geben muss. Das Problem in ihrem Nachweis liegt aber in der Tatsache, dass ein Stern millionenfach heller ist als ein Planet und diesen hoffnungslos überstrahlen würde. Zudem stehen Planeten relativ nah an ihrer Sonne, weshalb auch die besten Teleskope kaum in der Lage sind, beide voneinander zu trennen. So gelang es erst 1995 Michel Mayor und Didier Queloz vom Genfer Observatorium beim Stern 51 Pegasi b den ersten extrasolaren Planeten zu entdecken (heute, im Mai 2015, sind es bereits über 2000, doch diese Zahl überholt sich täglich selbst). Damit müssen wir uns zunächst fragen, auf welche Weise ein solcher Nachweis überhaupt möglich ist.

Der erste extrasolare Planet wurde durch die Messung der Radialgeschwindigkeit aufgespürt. Wenn ein Körper einen anderen umkreist (z.B. der Mond die Erde), so bewegen sich beide um einen gemeinsamen Masseschwerpunkt, Baryzentrum genannt. Im Falle eines Sterns, der von einem Planeten umkreist wird bedeutet dies, dass er ein ganz klein wenig hin- und her wackelt. Hierdurch kommt er einmal um einen winzigen Betrag auf den Beobachter zu, ein andermal entfernt er sich. Daraus resultieren kleine Blau- bzw. Rotverschiebungen, die gemessen werden können.

Messung der Radialgeschwindigkeit von 51 Pegasi b

Hier sieht man in einer Kurve dargestellt die Änderung der Radialgeschwindigkeit von etwa 70 [m/s] von 51 Pegasi b, erfasst mit einem hochauflösenden Spektrografen. In 50,1 Lichtjahren Entfernung wird dieser gelbe Zwergstern der Spektralklasse G2,5IVa oder G4-5Va von einem Planeten umkreist, der etwa 0,46 Jupitermassen aufweist und den Stern einmal in 4,2 Tagen umkreist. Er ist so schnell, weil seine Umlaufbahn nur 0,05 [AE] von seiner Sonne entfernt ist. Die Oberflächentemperatur wurde zu 982 [°C] berechnet, weshalb dieser Körper nicht für das Tragen von Leben in Betracht kommt.

Mit freundlicher Genehmigung der NASA

Wollte man nun Stern für Stern nach dieser oder anderen Methoden auf Planeten untersuchen, so wäre das ein recht langwieriges Unterfangen und kaum von Erfolg gekrönt. Es werden daher stets gleichzeitig viele Tausend Sterne vermessen, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass einer "ins Netz geht", zu vernünftigen Größen verschoben wird.

Objekte dieser Größe bezeichnet man übrigens auch als Planemos, abgeleitet von planetary mass object). Allgemein ist ein Planemo ein Körper, der durch seine Gravitation zwar annähernd Kugelgestalt annimmt, sie aber nicht ausreicht, um in seinem Innern Kernfusionen zu zünden. Größere Monde, Planeten und Zwergplaneten sowie auch kleine Braune Zwerge sind Planemos. Man vermutet, dass Planemos einen wesentlichen Beitrag zur Dunklen Materie leisten könnten. Weitere Informationen hierzu: http://de.wikipedia.org/wiki/Planemo.

Wie man schon vielleicht vermutet hat, beruht die Messung der Radialgeschwindigkeit auf dem Doppler- Effekt. Nach dieser Methode wurden bisher die meisten der inzwischen bekannten extrasolaren Planeten entdeckt. So auch die jüngste (November 2012) Supererde um einen Stern mit Namen HD 40307, HD 40307 g. Waren zunächst nur 3 Planeten als Begleiter des Sterns bekannt, so fanden Wissenschaftler mit dem HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher)), einem Spektrografen am 3,6-Meter-Teleskop der europäischen Südsternwarte in Chile gleich 3 neue Planeten. Einer von ihnen, der bereits genannte HD 40307 g, hat etwa 8fache Erdgröße und umkreist den Stern in einem Anstand, bei welchem flüssiges Wasser auf der Oberfläche vorhanden sein kann. Auch könnte den Planeten eine Atmosphäre umgeben und er wird keine gebundene Rotation aufweisen, sondern zwischen Tag und Nacht wechseln. Das Jahr dauert dort 200 Tage - alles Voraussetzungen für die Entwicklung von Leben...? Möglich wäre es.

Eine weitere Methode ist die der Fotometrie. Man kann die Helligkeit eines Sterns sehr genau messen, und sie bleibt über lange Zeit auch sehr konstant. Zieht nun ein Planet an der Sternscheibe vorbei, wird er das Licht des Sterns um einen winzigen Betrag verdunkeln. Solche Transits kann man durchaus messen, wenn auch die erdgebundenen Teleskope durch atmosphärische Störungen hierbei an ihre Grenze stoßen. Gegenüber dem Doppler- Effekt hat diese Art des Nachweises einen weiteren großen Nachteil: Sie funktioniert nur, wenn die Bahnebene des Planeten so liegt, dass sie in unserer Blickrichtung am Stern vorbei führt. Wenn wir aber quasi von oben auf das System sehen, wird keine Sternfinsternis erfolgen und wir können den Planeten auf diesem Weg nicht nachweisen. Wurden durch diese Methode zunächst nicht sehr viele Planeten entdeckt, so hat sich das mit der Kepler- Mission der NASA von 2009 bis 2013 deutlich geändert. Empfindliche Technik des Teleskops beobachtete hier über 170 000 Sterne mit dem Ziel, Planeten von halber bis doppelter Erdgröße zu entdecken und ob diese sich in der habitablen Zone aufhalten. Im Oktober 2012 konnte dann ein Fund veröffentlicht werden, der sogar eine kleine Sensation war: Ein neptunähnlicher Planet mit Namen PH1 umkreist ein Doppelsternsystem. Damit nicht genug, wird dieses von einem weiteren Doppelstern umkreist - eine Erscheinung, die man früher nie für möglich gehalten hätte. Die Auswertung der Kepler- Daten hält weiterhin an und mittlerweile wurden über 130, viele sogar erdähnliche Planeten entdeckt. Weitere 3000 Kandidaten warten noch auf ihre Entschleierung...

Eine weitere Möglichkeit stellt die Astrometrie dar. Ein Stern hat zwar scheinbar eine "feste" Position am Himmel (abgesehen von seiner Eigenbewegung). Wird er aber von einem (oder mehreren) Planeten umkreist, so führen beide eine Taumelbewegung um das gemeinsame Schwerkraftzentrum aus. Der Stern "wackelt" um einen winzigen Betrag hin und her, bewegt sich auf einer kleinen Kreis- bzw. Ellipsenbahn. Diese Positionsänderungen kann man messen. Allerdings stoßen auch hier selbst unsere heutigen Großteleskope an die Grenzen ihrer Möglichkeiten, denn die Positionsänderungen sind verschwindend gering. Besser geeignet sind Weltraumteleskope wie Hubble, und mit diesem gelang auch bislang eine astrometrische Bestimmung (Gl 876b).

Ein Planet mit 5,5facher Erdmasse verrät sich durch Mikrolinseneffekt

Ein Exoplanet kann sich auch durch den Mikrolinseneffekt (Microlensing) verraten. Basierend auf dem Gravitationslinseneffekt wirkt ein Stern als Linse, wenn er an einem Hintergrundstern vorbei zieht. Es wird jedoch kein Bild des Hintergrundsterns erzeugt, sondern das Licht in charakteristischer Weise verstärkt. Weist der Vordergrundstern einen Planeten auf und wandert dieser sehr nahe an der Sichtlinie zum Hintergrundstern vorbei, wird die Lichtkurve noch mal um einen kleinen Peak modifiziert. Wir sehen hier die Lichtkurve eines Mikrolinsenereignisses, in der linken Kurvenhälfte der kleine Peak eines Planeten von 5,5 Erdmassen (im lila Rahmen nochmals vergrößert), der typischerweise meist nur einen Tag dauert. Links ist die Helligkeit aufgetragen, die unteren Skalen geben die Länge des Ereignisses in Tagen wieder.

Quelle: OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment)

Die Suche nach extrasolaren Planeten ist heute zu einem der spannendsten Kapitel der Astronomie geworden. Viele erdgebundene Experimente beschäftigen sich bereits damit und auch einige Satellitenmissionen. Ständig kommen neue hinzu, eine sehr gute Zusammenstellung und viele weitere Informationen über Exoplaneten finden sich hier: www.exoplanet.de

Das Rennen läuft

Es sind insbesondere 2 Astronomenteams, die wir getrost als die erfolgreichsten Planetenjäger bezeichnen können. Zum einen die schon erwähnten Michel Mayor und Didier Queloz vom Genfer Observatorium, die den ersten Exoplaneten entdeckten. Prof. Geoffrey Marcy und Paul Butler vom Carnegie Institut in Washington stellen ihre Konkurrenz dar. Sie entdecken die neuen Planeten heute meist gleich im Bündel.

Allerdings hatten diese Planetenjäger selbst eine ernsthafte Konkurrenz bekommen in Form des bereits genannten Weltraumteleskops Kepler. Im Dezember 2011 entdeckte die Sonde den Planeten Kepler-22b, der einen sonnenähnlichen Stern der Spektralklasse G5 in 290 Tagen umläuft. Der Stern ist zwar etwas kleiner als unser Tagesgestirn, doch ist die Planetenumlaufbahn so nah am Stern, dass sich Kepler-22b noch in der habitablen Zone befindet. Was bedeutet, dass dort Wasser in flüssiger Form vorliegt und die Temperaturen somit gemäßigt sein könnten. Während nun einige Wissenschaftler mutmaßen, dass die Bedingungen auf diesem Planeten mit dem 2,4fachen Erdradius für die Entstehung von Leben ungeeignet sind, schließen andere diese Möglichkeit nicht aus. Jedenfalls so lang uns keine spezifischeren Daten über solche Exoplaneten vorliegen, bleiben alle Überlegungen in dieser Richtung reine Spekulation.
Im Bild ein Vergleich des Sonnensystems mit der Situation des Kepler-22b.

Mit freundlicher Genehmigung von Nasa / Ames / JPL-Caltech

Eine realistische Abschätzung der bisher entdeckten Exoplaneten, die sich in einer habitablen Zone befinden, ist im Habitable Exoplanets Catalog (HEC) verzeichnet. Das ist eine ständig aktualisierte online- Datenbank aller in Betracht kommenden Planeten. Wirklich "heiße" Kandidaten mit annähernd erdähnlichen Verhältnissen sind derzeit aber nur 2 Planeten, nämlich Gliese 581d (weitere Informationen hierzu siehe unter Rote Zwerge) sowie HD 85512 b. Unter der genannten Adresse finden sich noch viele weitere Links zum Thema.

Das erste echte Bild des Planeten GQ Lupi b

Astronomen der Uni Jena haben das wohl erste Bild eines Exoplaneten mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO und dem Instrument NACO gewinnen können. Es handelt sich dabei um den 400 Lichtjahre entfernten Stern GQ Lupi A mit seinem Begleiter GQ Lupi b im südlichen Sternbild Wolf. Die Aufnahme konnte nur gelingen, weil der Begleiter 3 Mal so weit vom Stern steht wie Pluto von der Sonne. Aufgrund der sehr langsamen Umlaufgeschwindigkeit bewegen sich beide parallel über die Himmelskugel, deshalb ist man sich sicher, dass es sich um einen echten Begleiter handelt. Sehr unsicher ist jedoch die Bestimmung der Masse: Angaben schwanken zwischen etwa 1 und 40 Jupitermassen, weshalb der Begleiter auch ein Brauner Zwerg sein kann.

Mit freundlicher Genehmigung der ESO

Schon seit 1999 ist der Exoplanet HD 209458b bekannt, inzwischen auch unter dem Namen Osiris. Wir finden ihn in 150 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Pegasus.

Zwar umkreist Osiris seine Sonne in nur 5,9 Millionen [km] Distanz und seine Oberfläche ist deshalb mindestens 1000 [K] heiß, dennoch konnte man in seiner Atmosphäre Kohlenstoff und Sauerstoff aufspüren. Osiris ist zudem der erste extrasolare Planet, bei dem eine Atmosphäre nachgewiesen werden konnte. Aus dieser entweicht ständig Wasserstoff, welcher eine Art Schweif ausbildet und dabei Kohlenstoff- und Sauerstoffatome mitreißt. Bedeutsam ist jedoch, dass auf einem Exoplaneten diese beiden Grundbausteine des Lebens vorhanden sind. Wenn auch auf solch heißer Oberfläche kein Leben möglich ist, so wurde nun auch noch Wasserdampf in der Atmosphäre gefunden (Travis Barman vom Lowell Observatory, April 2007). Dies gelang mit Hilfe des Spektrografen des HST (Hubble Space Telescope). Wenn auch vorhergehende Untersuchungen mit dem Spitzer-Infrarotteleskop keinen Hinweis von Wasser auf diesem jupitergroßen Planeten erbrachten ist es doch sehr wahrscheinlich, dass diese häufige Verbindung im Kosmos auf vielen extrasolaren Planeten vorkommt. Damit sind alle Grundbausteine für die Entwicklung von Leben überall vorhanden. Unsere Erde ist sicherlich nicht die einzige große Ausnahme im Universum und alle diesbezüglichen Annahmen sind nun längst hinfällig.

Mit freundlicher Genehmigung von ESA und Alfred Vidal-Madjar

Jeder Star Trek- Fan kennt natürlich den Planeten Vulcan, Spocks Heimat, der den Stern 40 Eridani umläuft. Noch wissen wir nicht, ob dieser Stern in der Tat von einem erdgroßen Planeten begleitet wird. Doch eine der vielen geplanten Missionen zum Aufspüren neuer Exoplaneten, NASA's SIM PlanetQuest dürfte dazu durchaus in der Lage sein. Zwar handelt es sich bei 40 Eridani um ein System aus 3 Sternen, doch diese sind so weit voneinander entfernt, dass ein Planet durchaus eine stabile Umlaufbahn um den Hauptstern 40 Eridani A einnehmen könnte. Würde er sich hier in einem Abstand von etwa 0,6 AE aufhalten, so befände er sich sogar in der habitablen Zone, einem Bereich also, in welchem Wasser in flüssiger Form vorliegen könnte und damit die Voraussetzung für die Existenz der Vulcanier gegeben wäre...

Außer dem oben gezeigten Bild gibt es noch keine echte Aufnahme eines Exoplaneten. So bleibt uns nur die Fantasie eines Künstlers. Wie hier stellt er sich einen Planeten um den Stern Gliese 436 vor. In 30 Lichtjahren Entfernung wurde um diesen M- Zwerg von weniger als halber Sonnenmasse ein Planet von 10- bis 20-facher Erdmasse im Jahr 2004 entdeckt. Der Planet umkreist den Stern in nur 2,5 Tagen in einem Abstand von 4,1 Millionen [km]. Schon allein aus diesen Gegebenheiten lässt sich ableiten, dass man hier vergeblich nach Leben suchen würde. Gleichzeitig fand man einen neuen Planeten etwa gleicher Größe um den Stern 55 Cancri. Der Stern selbst ist 41 Lichtjahre von der Erde entfernt und etwas masseärmer als die Sonne. Auch dieser Planet braucht für einen Umlauf nicht ganz 3 Tage, seine Bahn zieht er in nur 5,6 Millionen [km] Abstand um den Stern. Um 55 Cancri wurden bereits weitere Planeten gefunden, die ihre Umläufe 15, 44 und 4520 Tagen erledigen. Die relativ massearmen Planeten zeigen jedoch, dass es nicht nur Gasriesen "da draußen" gibt, denn vermutlich bestehen sie aus Gestein oder einem Eis- Gesteinsgemisch und sind ähnlich entstanden wie unsere erdartigen Planeten. Allerdings dürften sie aufgrund der Sternnähe recht heiß sein, weshalb man wohl nicht von Eis sprechen kann.

Mit freundlicher Genehmigung der NASA

Ging man bisher davon aus, dass Planeten sich in erster Linie in den Staubscheiben um einzelne Sterne bilden, so hat das Spitzer- Weltraumteleskop Hinweise darauf gefunden, dass dies sogar in einem Vierfach- System möglich zu sein scheint. Um einen Doppelstern mit Namen HD 98800 haben Wissenschaftler eine Staubscheibe entdeckt, in welcher Lücken entstanden sind. Solche Lücken bilden sich typischerweise, wenn der Staub von Planeten aufgesammelt wird! In diesem eigenartigen System in 150 Lichtjahren Entfernung umkreisen sich also 2 Sterne, die wiederum von einer Staubscheibe umgeben sind, in welcher evtl. (entstehende) Planeten das Sternpaar umkreisen. Das Ganze wird zusätzlich von einem weiteren Doppelsternsystem umlaufen. Das Quartett hat zwar erst ein Alter von etwa 10 Millionen Jahren, doch welch grandiose Sonnenauf- und untergänge werden künftige Planetenbewohner einmal bewundern können...

Mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Im Jahre 2005 fand ein OGLE- Team einen der kältesten bekannten Exoplaneten. Er umläuft einen Roten Zwergstern, der mit gerade einmal halber Sonnenmasse in 9000 Lichtjahren Entfernung zur Erde steht. Die Planetenmasse wurde zu 13 Erdmassen bestimmt. Diese "Supererde" umkreist den Stern in großer Distanz, in Bereichen, in denen sich für gewöhnlich die Gasriesen unseres Sonnensystems aufhalten. Der Planet wurde durch die Technik des Microlensing entdeckt, wobei das Ereignis gleichzeitig von 3 unabhängigen Beobachterteams registriert wurde. Aus den gewonnenen Daten schließt man, dass der Planet ein relativ kompakter, gesteinsartiger Körper ist und eine Oberflächentemperatur von unter -200 [°C] aufweist.

Quelle: David A. Aguilar (CfA)

Wie es scheint, ist das Microlensing- Verfahren sehr sensibel und man glaubt, dass es hiermit erstmals möglich sein wird, erdgroße Planeten aufzuspüren. Einen großen Fortschritt in der Erforschung von Exoplaneten erhofft man sich auch vom so genannten CHEOPS- Projekt, CHaracterising ExOPlanets Satellite, dessen Start gegen 2017 geplant ist. Mit dieser Mission der ESA will man zwar nicht unbedingt noch weitere Planeten aufspüren, vielmehr sollen durch hochpräzise Messungen der Sternhelligkeiten beim Transit von bereits bekannten Planeten viel exaktere Aussagen zum Planetendurchmesser gewonnen werden. Aus der Masse des Körpers lässt sich dann auf seine Dichte schließen, woraus wiederum Rückschlüsse auf die ungefähre Zusammensetzung möglich sind.

Mit freundlicher Genehmigung der ESA, Universität Bern

Der blaue Punkt in der Bildmitte stellt nochmals einen "Exo"ten dar: Sehr wahrscheinlich sehen wir hier einen Planeten, der ohne Sonne durchs All vagabundiert. Entdeckt wurde er mit dem Canada-France-Hawaii-Telescope, konnte nun aber mit dem VLT der ESO genauer untersucht werden. Der Planet - als solcher ist er mit 4 bis 7facher Jupitermasse noch zu bezeichnen - gehört vermutlich zum so genannten AB-Doradus-Bewegungshaufen. Das ist eine relativ nah gelegene Gruppe von Sternen, etwa 100 Lichtjahre entfernt. Der große Vorteil bei einem solchen Objekt ist, dass er nicht vom Licht einer Sonne überstrahlt wird und daher auch recht genau (spektroskopisch) untersucht werden kann. Weshalb dieser Körper mit der Bezeichnung CFBDSIR2149 ohne Sonne ist, muss noch geklärt werden. Es ist möglich, dass er aus irgendeinem Grund aus einem ganz normalen Planetensystem hinaus katapultiert wurde. Ebensogut könnte er "einsam" entstanden sein, ähnlich einem Braunen Zwerg, aus einer Materiewolke.

Mit freundlicher Genehmigung von ESO / P. Delorme

Anfang 2015 wurden in den Kepler- Daten gleich 8 erdähnliche Planeten gefunden, die zudem ihren Stern in der habitablen Zone umlaufen. Flüssiges Wasser könnte also vorhanden sein, und weil diese Planeten extrem langlebige Rote Zwerge umlaufen, hat vielleicht dort entstehendes Leben genügend Zeit zur Entwicklung.
Durch immer weiter entwickelte Technik werden wir auch irgendwann nachweisen können, dass die Erde nicht alleiniger Träger von Leben ist. Noch vor 20 Jahren war die Existenz extrasolarer Planeten reine Spekulation, heute wissen wir, dass Planeten das Normalste im Kosmos sind und zu den Sternen gehören, wie die Flöhe zum Hund. Viele der mit der Planetensuche befassten Wissenschaftler sind sogar der Ansicht, dass fast jeder Stern der Galaxis Planeten besitzt, dass die kleineren (erdgroßen) vermutlich die häufigsten sind und dass es in der Milchstraße mehr Planeten als Sterne gibt. Deren Anzahl beträgt mindestens 300 Milliarden. Sie dürfen gerne selbst überschlagen, wie viele Planeten es damit allein in der Milchstraße geben könnte...