Exoplaneten: Welten jenseits unseres Sonnensystems

Der jüngste bisher entdeckte Exoplanet ist weniger als 1 Million Jahre alt.

Der jüngste bisher entdeckte Exoplanet ist weniger als 1 Million Jahre alt und umkreist Coku Tau 4, einen 420 Lichtjahre entfernten Stern. Astronomen schlossen die Anwesenheit des Planeten aus einem riesigen Loch in der staubigen Scheibe, die den Stern umgibt. Das Loch ist zehnmal so groß wie die Erdumlaufbahn um die Sonne und wird wahrscheinlich dadurch verursacht, dass der Planet einen Raum im Staub räumt, während er den Stern umkreist. (Bildnachweis: NASA)



Exoplaneten sind Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems. Tausende wurden in den letzten zwei Jahrzehnten entdeckt, hauptsächlich mit dem Kepler-Weltraumteleskop der NASA.



Diese Welten gibt es in einer Vielzahl von Größen und Umlaufbahnen. Einige sind gigantische Planeten, die sich eng an ihre Muttersterne schmiegen; andere sind eisig, einige felsig. Die NASA und andere Behörden suchen nach einem Planeten der besonderen Art: einem Planeten von der Größe der Erde, der einen sonnenähnlichen Stern in der bewohnbaren Zone umkreist.

Die bewohnbare Zone ist der Bereich von Entfernungen von einem Stern, in dem die Temperatur eines Planeten flüssiges Wasser zulässt, das für das Leben auf der Erde entscheidend ist. Die früheste Definition der Zone basierte auf einem einfachen thermischen Gleichgewicht, aber aktuelle Berechnungen der bewohnbaren Zone beinhalten viele andere Faktoren, einschließlich des Treibhauseffekts der Atmosphäre eines Planeten. Dies macht die Grenzen einer bewohnbaren Zone 'unscharf'.



Astronomen gaben im August 2016 bekannt, dass sie einen solchen gefunden haben könnten Planet umkreist Proxima Centauri . Die neu entdeckte Welt, bekannt als Proxima b, ist etwa 1,3-mal massereicher als die Erde, was darauf hindeutet, dass der Exoplanet eine felsige Welt ist, sagten Forscher. Der Planet ist auch in den Sternen bewohnbare Zone , nur 4,7 Millionen Meilen (7,5 Millionen Kilometer) von seinem Hoststern entfernt. Es absolviert alle 11,2 Erdtage eine Umlaufbahn. Infolgedessen ist es wahrscheinlich, dass der Exoplanet durch die Gezeiten gesperrt ist, was bedeutet, dass er seinem Wirtsstern immer das gleiche Gesicht zeigt, genau wie der Mond der Erde nur eine Seite (die nahe Seite) zeigt.

Die meisten Exoplaneten wurden vom Weltraumteleskop Kepler entdeckt, einem Observatorium, das 2009 seine Arbeit aufnahm und seine Mission voraussichtlich 2018 beenden wird, sobald der Treibstoff ausgeht. Stand Mitte März 2018 , hat Kepler 2.342 bestätigte Exoplaneten entdeckt und die Existenz von vielleicht 2.245 anderen aufgedeckt. Die Gesamtzahl der von allen Observatorien entdeckten Planeten beträgt 3.706.

Frühe Entdeckungen

Während Exoplaneten erst in den 1990er Jahren bestätigt wurden, waren Astronomen jahrelang davon überzeugt, dass sie da draußen sind. Das war nicht nur Wunschdenken, sondern weil sich unsere eigene Sonne und andere Sterne wie sie langsam drehen, sagte der Astrophysiker der University of British Columbia, Jaymie Matthews, gegenüber guesswhozoo.com. Matthews, der Missionswissenschaftler des gelegentlichen Exoplaneten-Teleskopbeobachters MOST (Microvariability and Oscillations of STars), war an einigen der frühen Entdeckungen von Exoplaneten beteiligt.



Astronomen hatten eine Ursprungsgeschichte für unser Sonnensystem. Einfach ausgedrückt kollabierte eine sich drehende Wolke aus Gas und Staub (der sogenannte protosolare Nebel) unter ihrer eigenen Schwerkraft und bildete die Sonne und die Planeten. Als die Wolke kollabierte, bedeutete die Erhaltung des Drehimpulses, dass sich die baldige Sonne immer schneller hätte drehen müssen. Aber während die Sonne 99,8 Prozent der Masse des Sonnensystems enthält, haben die Planeten 96 Prozent des Drehimpulses. Astronomen fragten sich, warum die Sonne so langsam rotiert.

Die junge Sonne hätte ein sehr starkes Magnetfeld gehabt, dessen Kraftlinien bis in die Gaswirbelscheibe reichten, aus der die Planeten entstehen würden. Diese Feldlinien verbanden sich mit den geladenen Teilchen im Gas und wirkten wie Anker, die die Drehung der sich bildenden Sonne verlangsamten und das Gas aufwirbelten, das sich schließlich in die Planeten verwandeln würde. Die meisten Sterne wie die Sonne rotieren langsam, daher schlossen die Astronomen, dass bei ihnen die gleiche 'magnetische Bremsung' aufgetreten ist, was bedeutet, dass bei ihnen die Planetenbildung stattgefunden haben muss. Die Folgerung: Planeten müssen um sonnenähnliche Sterne herum häufig vorkommen.

Aus diesem und anderen Gründen beschränkten Astronomen ihre Suche nach Exoplaneten zunächst auf sonnenähnliche Sterne, aber die ersten beiden Entdeckungen waren um einen Pulsar (ein sich schnell drehender Leichnam eines als Supernova gestorbenen Sterns) namens PSR 1257+12, in 1992. Die erste bestätigte Entdeckung einer Welt, die einen sonnenähnlichen Stern umkreist, im Jahr 1995 war 51 Pegasi b – ein Planet mit Jupitermasse, der seiner Sonne 20 Mal näher ist als wir unserer. Das war eine Überraschung. Aber sieben Jahre zuvor tauchte eine weitere Kuriosität auf, die auf den Reichtum kommender Exoplaneten hindeutete.



Ein kanadisches Team entdeckte 1988 einen Planeten von der Größe eines Jupiters um Gamma Cephei, aber da seine Umlaufbahn viel kleiner war als die des Jupiter, behaupteten die Wissenschaftler nicht, einen endgültigen Planeten zu entdecken. „Wir haben solche Planeten nicht erwartet. Es unterschied sich genug von einem Planeten in unserem eigenen Sonnensystem, dass sie vorsichtig waren“, sagte Matthews.

Die meisten der ersten Entdeckungen von Exoplaneten waren riesige Gasriesen von der Größe eines Jupiters (oder größer), die in der Nähe ihrer Muttersterne kreisten. Das liegt daran, dass sich Astronomen auf die Radialgeschwindigkeitstechnik verlassen haben, die misst, wie stark ein Stern 'wackelt', wenn ein Planet oder mehrere Planeten ihn umkreisen. Diese großen Planeten, die sich nähern, erzeugen einen entsprechend großen Effekt auf ihren Mutterstern und verursachen ein leichter zu erkennendes Wackeln.

Vor der Ära der Entdeckungen von Exoplaneten konnten Instrumente nur Sternbewegungen bis zu einem Kilometer pro Sekunde messen, zu ungenau, um ein Wackeln aufgrund eines Planeten zu erkennen. Laut Matthews können einige Instrumente Geschwindigkeiten von nur einem Zentimeter pro Sekunde messen. 'Teilweise aufgrund der besseren Instrumentierung, aber auch, weil Astronomen jetzt mehr Erfahrung darin haben, subtile Signale aus den Daten herauszukitzeln.'

Kepler, TESS und andere Observatorien

Kepler wurde 2009 eingeführt auf einer Hauptmission, um eine Region im Sternbild Cygnus zu beobachten. Kepler führte diese Mission vier Jahre lang durch – doppelt so lange wie die anfängliche Missionslebensdauer –, bis die meisten seiner Reaktionsräder (Zeigegeräte) versagten. Die NASA schickte Kepler dann auf eine neue Mission namens K2, bei der Kepler den Druck des Sonnenwinds nutzt, um seine Position im Weltraum zu halten. Das Observatorium wechselt regelmäßig sein Sichtfeld, um Blendung durch die Sonne zu vermeiden. Keplers Geschwindigkeit der Planetenentdeckung verlangsamte sich nach dem Wechsel zu K2, aber es werden immer noch Hunderte von Exoplaneten mit der neuen Methode gefunden. Seine neueste Datenveröffentlichung vom Februar 2018 enthielt 95 neue Planeten.

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Kepler hat ein Füllhorn verschiedener Planetentypen enthüllt. Neben Gasriesen und terrestrischen Planeten hat es dazu beigetragen, eine ganz neue Klasse zu definieren, die als ' Super-Erden ': Planeten, die zwischen der Größe der Erde und des Neptuns liegen. Einige von ihnen befinden sich in den bewohnbaren Zonen ihrer Sterne, aber Astrobiologen gehen zurück zum Reißbrett, um zu überlegen, wie sich das Leben auf solchen Welten entwickeln könnte. Keplers Beobachtungen zeigten, dass es in unserem Universum reichlich Supererden gibt. (Seltsamerweise scheint unser Sonnensystem keinen Planeten dieser Größe zu enthalten, obwohl einige glauben, dass ein großer Planet mit dem Spitznamen 'Planet Neun' in den äußeren Bereichen des Sonnensystems lauert.)

Keplers Hauptmethode zur Suche nach Planeten ist die Transitmethode. Kepler überwacht das Licht eines Sterns. Wenn das Licht in regelmäßigen und vorhersehbaren Abständen schwächer wird, deutet dies darauf hin, dass ein Planet über das Gesicht des Sterns hinwegfliegt. Im Jahr 2014 stellten Kepler-Astronomen (darunter Matthews' ehemaliger Student Jason Rowe) eine neue Methode der 'Verifizierung durch Multiplizität' vor, die die Geschwindigkeit erhöht, mit der Astronomen Kandidatenplaneten zu bestätigten Planeten machen. Die Technik basiert auf Bahnstabilität – viele Transite eines Sterns, die mit kurzen Perioden auftreten, können nur auf Planeten in kleinen Umlaufbahnen zurückzuführen sein, da mehrere verfinsterte Sterne, die nachahmen könnten, sich in nur wenigen Millionen Jahren gravitativ aus dem System werfen würden.

Als Kepler seine Mission abschließt, wird voraussichtlich im Frühjahr 2018 ein neues Observatorium namens Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) starten. TESS wird die Erde alle 13,7 Tage umkreisen und über zwei Jahre eine Himmelsvermessung durchführen. Es wird im ersten Jahr die südliche Hemisphäre und im zweiten Jahr die nördliche Hemisphäre (die das ursprüngliche Kepler-Feld umfasst) vermessen. Es wird erwartet, dass das Observatorium viele weitere Exoplaneten aufdecken wird, darunter mindestens 50, die etwa die Größe der Erde haben.

Andere bekannte Observatorien für die Planetenjagd (früher und heute) sind:

  • Der HARPS-Spektograph am 3,6-Meter-Teleskop La Silla der Europäischen Südsternwarte in Chile, dessen erstes Licht im Jahr 2003 erfolgte. Das Instrument soll die Schwingungen untersuchen, die ein Planet bei der Rotation eines Sterns hervorruft. HARPS hat selbst weit über 100 Exoplaneten gefunden und wird regelmäßig verwendet, um Beobachtungen von Kepler und anderen Observatorien zu bestätigen.
  • Das Canadian Microvariability and Oscillations of STars (MOST)-Teleskop, dessen Beobachtungen im Jahr 2003 begannen. MOST wurde entwickelt, um die Astroseismologie eines Sterns oder Sternbeben zu beobachten. Aber es hat auch an Exoplaneten-Entdeckungen teilgenommen, wie zum Beispiel an der Entdeckung des Exoplaneten 55 Cancri e.
  • Das CoRoT (COnvection ROtation and planetary Transits) der französischen Weltraumbehörde, das zwischen 2006 und 2012 in Betrieb war. Es fand einige Dutzend bestätigte Planeten, darunter COROT-7b – den ersten Exoplaneten, der überwiegend aus Gestein oder Metall bestand.
  • Die NASA/European Space Agency Hubble und NASA Spitzer Weltraumteleskope, die periodisch Planeten im sichtbaren bzw. infraroten Wellenlängenbereich beobachten. (Weitere Informationen über die Atmosphäre eines Planeten sind in Infrarot verfügbar.)
  • Der europäische Charakterisierungssatellit ExOPlanets (CHEOPS), der voraussichtlich 2018 startbereit sein wird. Die Mission soll die Durchmesser von Planeten genau berechnen, insbesondere von Planeten, die zwischen Supererde- und Neptun-Massen liegen.
  • Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA, das voraussichtlich im Jahr 2020 starten soll. Es ist auf die Beobachtung im Infraroten spezialisiert. Das leistungsstarke Observatorium soll mehr über die Bewohnbarkeit der Atmosphären bestimmter Exoplaneten verraten.
  • Das PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO)-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation ESA, das 2024 starten soll. Es soll lernen, wie Planeten entstehen und welche Bedingungen, wenn überhaupt, für das Leben günstig sein könnten.
  • Die ESA-Mission ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) soll Mitte 2028 starten. Es wird erwartet, 1.000 Exoplaneten zu beobachten und auch eine Untersuchung der chemischen Zusammensetzung ihrer Atmosphären durchzuführen.

Ein Diagramm, das die relativen Größen der von Kepler entdeckten neuen außerirdischen Planeten im Vergleich zu Erde und Jupiter zeigt.

Ein Diagramm, das die relativen Größen der von Kepler entdeckten neuen außerirdischen Planeten im Vergleich zu Erde und Jupiter zeigt.(Bildnachweis: NASA/Tim Pyle)

Bemerkenswerte Exoplaneten

Bei Tausenden zur Auswahl ist es schwer, einige einzugrenzen. Kleine feste Planeten in der bewohnbaren Zone sind automatisch herausragend, aber Matthews hat fünf weitere Exoplaneten herausgegriffen, die unsere Perspektive auf die Entstehung und Entwicklung von Planeten erweitert haben:

  • 51 Pegasi b:Wie bereits erwähnt, war dies der erste Planet, der um einen sonnenähnlichen Stern herum bestätigt wurde. Die Hälfte der Masse des Jupiter kreist um seine Sonne in ungefähr der Entfernung von Merkur von unserer Sonne. 51 Pegasi b ist seinem Mutterstern so nahe, dass er wahrscheinlich durch die Gezeiten gesperrt ist, was bedeutet, dass eine Seite immer dem Stern zugewandt ist.
  • HD209458b:Dies war der erste Planet, der (1999) gefunden wurde, der seinen Stern durchquerte (obwohl er durch die Doppler-Wobble-Technik entdeckt wurde) und in den folgenden Jahren häuften sich weitere Entdeckungen. Es war der erste Planet außerhalb des Sonnensystems, für den wir Aspekte seiner Atmosphäre bestimmen konnten, einschließlich des Temperaturprofils und des Fehlens von Wolken. (Matthews nahm an einigen der Beobachtungen mit MOST teil.)
  • 55 Krebs aus:Diese Supererde umkreist einen Stern, der hell genug ist, um mit dem Auge zu sehen, was bedeutet, dass Astronomen das System detaillierter untersuchen können als fast jedes andere. Sein „Jahr“ ist nur 17 Stunden und 41 Minuten lang (erkannt, als MOST 2011 das System zwei Wochen lang betrachtete). Theoretiker spekulieren, dass der Planet kohlenstoffreich sein könnte, mit einem Diamantkern.
  • HD80606b:Zum Zeitpunkt seiner Entdeckung im Jahr 2001 hielt er den Rekord als der exzentrischste Exoplanet, der je entdeckt wurde. Es ist möglich, dass seine ungerade Umlaufbahn (die dem Halleyschen Kometen um die Sonne ähnelt) auf den Einfluss eines anderen Sterns zurückzuführen ist. Seine extreme Umlaufbahn würde die Umwelt des Planeten extrem variabel machen.
  • WASP-33b:Dieser Planet wurde 2011 entdeckt und hat eine Art „Sonnenschutz“-Schicht – eine Stratosphäre – die einen Teil des sichtbaren und ultravioletten Lichts seines Muttersterns absorbiert. Dieser Planet umkreist seinen Stern nicht nur 'rückwärts', sondern löst auch Schwingungen im Stern aus, die vom MOST-Satelliten gesehen werden.