Wenn Sie in einer klaren Nacht in den Himmel schauen, können Sie sicher sein, was unsere Vorfahren nicht einmal vermutet haben: Mindestens ein Planet dreht sich um fast jeden Stern.
Welten in den Umlaufbahnen anderer Sterne werden "Exoplaneten" genannt und reichen von riesigen Gasriesen, die größer als Jupiter sind, bis zu kleinen felsigen Planeten wie der Erde oder dem Mars. Entfernte Planeten können heiß genug sein, damit Metall auf ihren Oberflächen schmilzt, oder eisige Schneebälle. Viele von ihnen drehen sich so schnell und eng um ihre Sterne, dass ihr Jahr mehrere Erdentage dauert. Einige können zwei Sonnen haben. Es gibt Wanderer, die aus ihren Systemen vertrieben werden, diejenigen, die im Dunkeln durch die Galaxie wandern.
Die Milchstraße ist eine riesige Familie von Sternen, die sich über ungefähr 100.000 Lichtjahre erstreckt. Seine spiralförmige Struktur hat ungefähr 400 Milliarden Einwohner, und unsere Sonne gehört dazu. Wenn jeder dieser Sterne nicht einen Planeten in seiner Umlaufbahn hat, sondern mehrere, wie im Sonnensystem, dann ist die Anzahl der Welten in der Milchstraße einfach astronomisch: Die Zählung geht zu Billionen.
Die Sternensysteme, die in der Milchstraße leben. Bildnachweis: ESA / Hubble / ESO / M. Kornmesser.
Seit mehreren Jahrhunderten denkt die Menschheit über die Möglichkeit der Existenz von Planeten um ferne Sterne nach, und jetzt sagen wir mit Zuversicht, dass es extrasolare Welten gibt. Unser nächster Nachbar, Proxima Centauri, hat kürzlich einen felsigen Planeten entdeckt, der wahrscheinlich nicht allein ist. Die Entfernung dazu beträgt ungefähr 4,5 Lichtjahre oder 40 Billionen Kilometer. Die meisten gefundenen Exoplaneten befinden sich jedoch Hunderte oder Tausende von Lichtjahren entfernt.
Schlechte Nachrichten: Wir haben noch keine Möglichkeit, an sie heranzukommen. Die gute Nachricht ist, dass wir sie betrachten, Temperaturen abschätzen, die Atmosphäre „fühlen“und vielleicht bald Lebenszeichen entdecken können, die im trüben Licht dieser fernen Welten verborgen sind.
Der erste Exoplanet, der die Weltarena betrat, war 51 Pegasi b, ein "heißer Jupiter" in 50 Lichtjahren Entfernung, der in 4 Erdentagen einen Stern umkreist. Der Wendepunkt, nach dem extrasolare Planeten alltäglich wurden, kam 1995.
Künstlerische Darstellung des heißen Jupiters. Bildnachweis: ESO.
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Vor 51 Pegasi b gab es mehrere Kandidaten. Der heute als Tadmor bekannte Exoplanet wurde 1988 entdeckt. Obwohl seine Existenz 1992 aufgrund unzureichender Beweise in Frage gestellt wurde, bestätigten zehn Jahre später zusätzliche Beobachtungen, dass ein Planet um Gamma Cepheus A kreiste. Dann, 1992, wurde ein System von "Pulsarplaneten" entdeckt. Diese Welten drehen sich um einen toten Stern, den Pulsar PSR 1257 + 12, der 2300 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.
Wir leben jetzt in einem Universum von Exoplaneten. Ihre Zahl nimmt ständig zu, und im Moment hat die Zahl der bestätigten Planeten außerhalb des Sonnensystems die Grenze von 3700 überschritten, aber im nächsten Jahrzehnt könnte der Zeitplan auf Zehntausende springen.
Wie sind wir dazu gekommen?
Wir stehen kurz vor großen Entdeckungen. Die Ära der frühen Erforschung und die ersten bestätigten Exoplaneten bereiteten die Bühne für die nächste Phase: die Jagd nach fernen Welten mit "wachsameren" und hochentwickelten Teleskopen im Weltraum und auf der Erde. Einige von ihnen wurden beauftragt, eine genaue Volkszählung durchzuführen und die verschiedenen Größen und Arten von Exoplaneten zu berechnen. Andere hinterfragen einzelne Welten, ihre Atmosphären und ihr Potenzial, das Leben zu erhalten.
Die direkte Visualisierung von Exoplaneten, dh ihrer tatsächlichen Bilder, spielt eine immer wichtigere Rolle, obwohl Wissenschaftler den aktuellen Wissensstand hauptsächlich auf indirektem Wege erreicht haben. Die beiden Hauptmethoden sind Wackeln und Finsternisse.
Animation bestehend aus Bildern von vier massiven Exoplaneten, die den jungen Stern HR 8799 umkreisen. Bildnachweis: Jason Wang / Christian Marois.
Die erste basiert auf der Fixierung unterschiedlicher Sternschwingungen unter dem Einfluss der Schwerkraft eines umlaufenden Planeten. Diese Abweichungen charakterisieren die Masse des Exoplaneten. Die Methode ermöglichte es, die ersten Kandidaten zu bestätigen, darunter 51 Pegasi b, und insgesamt wurden durch Messung der Radialgeschwindigkeit etwa 700 Welten entdeckt.
Die überwiegende Mehrheit der Exoplaneten wird jedoch durch die Transitmethode gefunden, die darauf basiert, einen unglaublich kleinen Abfall der Leuchtkraft eines Sterns einzufangen, wenn ein Planet seine Scheibe überquert. Diese Suchstrategie gibt die Größe des Objekts an. Das 2009 gestartete Kepler-Weltraumteleskop der NASA hat auf diese Weise etwa 2.700 bestätigte Exoplaneten gefunden. Er entdeckt bis heute neue Welten, aber leider wird seine Jagd bald enden, da der Treibstoff ausgeht.
Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Messung der Radialgeschwindigkeit zeigt die Masse des Planeten, liefert jedoch keine Informationen über seinen Durchmesser. Der Transit spricht von der Größe der extrasolaren Welt, erlaubt aber keine Bestimmung der Masse.
Wenn jedoch mehrere Methoden zusammen verwendet werden, können wir wichtige Daten über das Planetensystem ohne direkte Visualisierung erhalten. Das beste Beispiel ist TRAPPIST-1, ungefähr 40 Lichtjahre entfernt, in dem sieben erdgroße Planeten einen kleinen roten Zwerg umkreisen.
Planeten, die den ultrakühlen roten Zwerg TRAPPIST-1 im Vergleich zur Erde umkreisen. Bildnachweis: ESO / M. Kornmesser.
Die TRAPPIST-1-Familie wurde mit bodengestützten und weltraumgestützten Teleskopen untersucht. Untersuchungen haben nicht nur die Durchmesser von sieben dicht gepackten Planeten gezeigt, sondern auch ihre subtile Gravitationswechselwirkung miteinander. Jetzt kennen wir ihre Massen und Durchmesser, können die Temperatur an der Oberfläche abschätzen und sogar die Farbe des Himmels auf jedem von ihnen erraten. Während über diese sieben Planeten noch viel Unbekanntes bekannt ist, einschließlich der Frage, ob sie mit Ozeanen oder einer Eiskruste bedeckt sind, ist TRAPPIST-1 neben unserem eigenen das am besten untersuchte Sternensystem.
Was weiter?
Der nächste Schritt wird eine neue Generation von Weltraumteleskopen sein. Zunächst TESS, das am 16. April 2018 starten soll. Dieses moderne Instrument wird eine fast vollständige Untersuchung der hellen Sterne in der Nähe auf der Suche nach Transitplaneten durchführen.
TESS wird die besten Kandidaten für eine genauere Betrachtung durch das James Webb-Weltraumteleskop auswählen, das 2020 ins All gehen wird. Der Nachfolger des Hubble mit seinem riesigen Spiegel sammelt Licht direkt von den Planeten selbst, das dann in ein Spektrum zerlegt werden kann, eine Art Barcode, der zeigt, welche Gase in der Atmosphäre des Exoplaneten vorhanden sind. Die Hauptziele des Teleskops werden "Supererden" sein.
"Hunter" für Exoplaneten TESS. Bildnachweis: NASA.
Über diese Klasse von extrasolaren Welten ist heute wenig bekannt, auch nicht, ob sie bewohnbar sind. Der Grund dafür ist das Fehlen von Analoga der Supererde im Sonnensystem. Wenn wir Glück haben, zeigt einer von ihnen Anzeichen von Sauerstoff, Kohlendioxid und Methan in seiner Atmosphäre. Die Jagd nach der Atmosphäre erdgroßer Planeten muss jedoch auf die nächste Generation von Weltraumteleskopen in den 2030er Jahren verschoben werden.
Dank des Kepler-Teleskops wissen wir jetzt, dass die Sterne über uns von Planeten umgeben sind. Und wir können nicht nur sicher sein, dass es eine Vielzahl exoplanetarischer Nachbarn gibt, sondern auch, dass das Abenteuer gerade erst beginnt.
Roman Zakharov
