Sterne & Weltraum

Ferne Welten: Die Suche nach Exoplaneten

Kepler 1649c

Künstlerische Darstellung der Oberfläche des Exoplaneten Kepler-1649c. Dieser Planet befindet sich in der habitablen Zone seines Sterns (Kepler-1649), doch man kennt die Zusammensetzung seiner Atmosphäre nicht. Bild: NASA

Seit 1995 weiss man dank zwei Schweizer Astrophysikern, dass nicht nur um unsere Sonne, sondern auch um andere sonnenähnliche Sterne Planeten kreisen. Für diese Entdeckung erhielten die beiden Forscher 2019 den Nobelpreis für Physik. Aber warum sucht man überhaupt nach diesen sogenannten Exoplaneten, und wie findet man sie?

Galaxie NGC 5866

Die Galaxie NGC 5866, von der Seite gesehen. Sie ist 44 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Bild: NASA, Aufnahme mit dem Spitzer-Weltraumteleskop

Unser Sonnensystem besteht aus acht Planeten, die sich um einen zentralen Stern drehen: die Sonne. Einige Planeten haben zudem Monde, welche um sie kreisen. Unser Sonnensystem gehört zu einer Galaxie, der Milchstrasse, die mindestens 200 Milliarden Sterne enthält. Es könnten also genauso viele Planetensysteme in unserer Galaxie existieren! Und im Universum gibt es noch unzählige weitere Galaxien ...

Sind wir die einzigen?

Die Planeten, welche um andere Sterne als unsere Sonne kreisen, nennt man Exoplaneten (oder extrasolare Planeten). Könnte es unter ihnen einen geben, auf dem Leben wie auf der Erde entstanden ist? Ein solcher Planet müsste einen sonnenähnlichen Stern umkreisen und sich in der „habitablen Zone“ dieses Sterns befinden. Das bedeutet, er darf dem Stern weder zu nahe kommen noch ihn in zu grosser Entfernung umkreisen, da es sonst auf dem Planeten entweder zu heiss oder zu kalt wäre. Ausserdem wäre der Planet nur lebensfreundlich, wenn er festen Untergrund, eine grosse Menge flüssigen Wassers auf seiner Oberfläche und viel Sauerstoff in seiner Atmosphäre hätte sowie von einem Magnetfeld umgeben wäre, das wirksam gegen den Sonnenwind des Sterns ist.

Der erste Exoplanet

Im Oktober 1995 wurde der erste Exoplanet in einer Umlaufbahn um einen sonnenähnlichen Stern entdeckt. Zwei Astrophysiker der Universität Genf, Michel Mayor und Didier Queloz, entdeckten einen Planeten, der um den Stern Helvetios kreist. Dieser Stern befindet sich im Sternbild Pegasus (daher sein ursprünglicher Name 51 Pegasi). Sie nannten den Planeten „51 Pegasi b“. Der Planet besteht hauptsächlich aus Gas, nämlich Wasserstoff und Helium. Er ist sehr heiss (ca. 1000 °C), da er sich sehr nahe bei seinem Stern befindet (er umkreist ihn in nur 4 Tagen!). Dabei hat er knapp die Hälfte der Masse von Jupiter, dem grössten Planeten unseres Sonnensystems.

Die Erde und Kepler-1649c

Der Exoplanet Kepler-1649c, entdeckt im Jahr 2020, ist ähnlich gross wie die Erde. Wie seine Oberfläche genau aussieht, können wir uns nur vorstellen. Bild: NASA

Nach 24 Jahren der Nobelpreis

51 Pegasi b, der später Dimidium getauft wurde, brachte den beiden Wissenschaftlern den Nobelpreis im Jahr 2019, also vierundzwanzig Jahre nach seiner Entdeckung. Dimidium ist unbewohnbar, da es sich um einen Gasplaneten handelt und er sich zu nah bei seinem Stern befindet. Durch seine Entdeckung wurde aber die grosse Suche nach Exoplaneten erst so richtig in Gang gesetzt. Bis heute wurden mehr als 4000 entdeckt; insbesondere interessiert man sich für erdähnliche Planeten, die vielleicht Leben beherbergen könnten.

Indirekt entdeckt: Methoden in der Astrophysik

Die Suche nach Exoplaneten war eingehend geplant worden. Um herauszufinden, welchen der etwa 200 bis 400 Milliarden Sterne in unserer Galaxie sie beobachten sollten, mussten die Forscher erst einmal einen Katalog von sonnenähnlichen Sternen erstellen, die Planeten in ihrer Umlaufbahn haben könnten.

Es ist äusserst schwierig, Exoplaneten mit Teleskopen zu finden, auch wenn sie sehr leistungsstark sind. Das Problem ist, dass das Licht des Sterns, um den der Planet kreist, zu hell ist. Es blendet uns, so dass man die Planeten in seiner Nähe kaum sehen kann.

Eine mögliche Technik ist, das Licht des Sterns mit einem „Schattenwerfer“ abzudecken, der sich zusammen mit dem Teleskop bewegt. Man erzeugt damit sozusagen den Effekt einer totalen Sonnenfinsternis. Es gibt auch andere Strategien, die eine indirekte Beobachtung ermöglichen. Zum Beispiel beobachtet man die Helligkeit des Sterns, um den der Planet kreist. Wenn der Planet vor dem Stern vorbeizieht, verdunkelt er ihn ein klein wenig, was man mit sehr genauen Messinstrumenten nachweisen kann.

Auch die Farbe dieses Lichts ist interessant. Der Planet wird nämlich vom Stern angezogen (und umgekehrt), und dadurch wird der Stern ein wenig zum Schwingen gebracht. Man kann diese Schwingungen anhand der Farbveränderungen seines Lichts feststellen.

Dank der Kombination verschiedener Methoden können Astronomen und Astrophysikerinnen die Grösse und Masse von Exoplaneten herausfinden. Daraus leiten sie ihre Dichte ab und wissen so, ob es sich um Gesteins- oder Gasplaneten handelt. Ein Gesteinsplanet hat nämlich viel mehr Masse auf kleinem Raum, seine Dichte ist also grösser als die eines Gasplaneten.

Auch Michel Mayor und Didier Queloz haben „ihren“ Exoplaneten tatsächlich nie mit eigenen Augen gesehen. Nur die Schwingungen des Sterns konnten die beiden Astrophysiker mithilfe eines von ihnen entwickelten Spektrographen messen. Dieses Gerät war mit einem Teleskop verbunden, das sich im Observatorium von Haute-Provence in Frankreich befand. Der Spektrograph empfängt und analysiert das gebündelte Licht des Sterns (das sogenannte Sternspektrum) – vergleichbar mit einem Prisma, das weisses Licht in die Farben des Regenbogens zerlegt.

Prisma

Ein Prisma zerlegt weisses Licht in die Farben des Regenbogens. Ebenso analysiert ein Spektrograf das Lichtspektrum ferner Sterne und misst kleinste Veränderungen dieser Farben. Bild: iDesign/Canstockphoto

Erstellt: 10.06.2022
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