Den Schwestern der Erde auf der Spur

Planetenjagd

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Planetenjagd: Verbirgt sich in den Weiten des Weltalls eine "zweite Erde"? Die Astronomen wollen bald mit der Suche beginnen.

Vor acht Jahren entdeckten Astronomen erstmals einen Planeten, der einen fernen Stern umläuft. Seitdem spürten die Forscher weitere hundert dieser Begleiter auf doch bisher nur indirekt: durch die Schwerkraftwirkung des Trabanten auf den Zentralstern. Wie es in naher Zukunft möglich wird, extrasolare Planeten zu studieren und auf ihnen nach Lebensspuren zu suchen, diskutierten 2003 in Heidelberg rund 240 Fachleute auf einer internationalen Tagung, organisiert vom Max-Planck-Institut für Astronomie.

Geahnt hatten das die Astronomen schon immer: Nicht nur die Sonne, auch andere Sterne besitzen Planeten. Doch erst der Nachweis durch Michel Mayor - der in Heidelberg vortrug - und Didier Queloz vom Observatorium Genf öffnete die Tür zu einem aufregenden Forschungsgebiet. "Diese Entdeckung hatte eine Explosion dieses Feldes zur Folge", sagt Thomas Henning, Direktor am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie.

Testlauf: Mission Smart 2

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Testlauf: Mit der Mission Smart 2 will die europäische Raumfahrtagentur ESA das Prinzip eines frei fliegenden Interferometers erproben.

Derzeit basieren alle Erkenntnisse über extrasolare Planeten auf einer indirekten Nachweismethode. Während der Planet seinen Stern umkreist, ziehen sich beide Körper mit ihrer Schwerkraft an: Der Stern pendelt mit der Umlaufperiode seines Trabanten um den gemeinsamen Schwerpunkt des Systems. Diese Bewegung verrät sich im Spektrum des Sterns durch eine periodische Verschiebung der Spektrallinien, bedingt durch den Dopplereffekt. Daraus lassen sich die Umlaufbahn sowie eine Untergrenze für die Masse des Planeten ableiten. Um dessen genaue Masse zu bestimmen, müsste man noch die Neigung seiner Bahnebene gegen die Sichtlinie zur Erde kennen ein kaum lösbares Problem, da man den Begleiter nicht direkt sieht.

Aber drei Mal half den Astronomen bisher ein glücklicher Zufall: Die dunklen Planeten zogen vor ihrem Stern vorüber, und währendieser "Mini-Sternfinsternisse" sank kurzzeitig die Helligkeit des Sterns. So ermittelten die Astronomen die Bahnneigung und damit die genaue Masse der Trabanten. Außerdem ließ sich aus der Stärke der Helligkeitsabnahme ziemlich genau auf den Planetendurchmesser schließen und daraus auf die mittlere Dichte. Aus der ergab sich, dass die untersuchten Objekte sehr wahrscheinlich Gasplaneten sind, dass sie also eher dem Jupiter als der Erde gleichen.

Armada im All

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Armada im All: Computeranimation von DARWIN, einem Interferometer aus sechs Teleskopen sowie einem Zentral- und einem Relais-Satelliten.

Eine wichtige Frage, über welche die Experten in Heidelberg diskutierten, bleibt aber unbeantwortet: Ist unser Sonnensystem, in dem es auch Gesteinsplaneten wie die Erde gibt,typisch im Universum, oder bildet es eine seltene Ausnahme? Und: Existiert Leben auf anderen Planeten? Leben, das auf ähnlichen Prinzipien beruht wie das irdische, benötigt flüssiges Wasser, das heißt moderate, lebensfreundliche Temperaturen. Deshalb muss eine "zweite Erde" ihren Zentralstern innerhalb der "bewohnbaren Zone" umlaufen, deren Ausdehnung stark von der Sterntemperatur und der Planetenatmosphäre abhängt: In unserem Sonnensystem erstreckt sich diese Zone etwa von 0,85 bis 1,3 Erdbahnradien.

In erdgebundenen Teleskopen zeigen sich extrasolare Planeten nicht - sie sind zu klein, zu lichtschwach und stehen zu nah am Zentralstern. Mit Observatorien im Weltraum, wo keine Luftturbulenzen die Messungen stören, soll es jedoch schon bald möglich sein, diese dunklen Begleiter mit der Transitmethode aufzuspüren. Die Schwierigkeit besteht darin, dass der kleine Planet das Licht seines Sterns nur um etwa ein Zehntausendstel schwächt.

Himmelsspäher: eins von sechs DARWIN-Satelliten-Teleskopen

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Himmelsspäher: Eins von sechs DARWIN-Satelliten-Teleskopen, die eines Tages das Licht eines fernen Planeten auffangen sollen.

Zurzeit sind drei Weltraumteleskope geplant, die nach der Transitmethode arbeiten werden. Als erstes startet die Europäische Weltraumorganisation (ESA) Ende 2005 das Instrument Corot: Es soll fünf Monate lang 12 000 Sterne ununterbrchen überwachen und nach kleinsten Lichtvariationen suchen. Mit Corot könnten die Astronomen den ersten erdähnlichen Planeten entdecken. Es ist jedoch ein kleines Teleskop mit einem nur 30 Zentimeter großen Sammelspiegel. Ihm folgen im Oktober 2007 das NASA-Teleskop Kepler und ein halbes Jahr später das europäische Eddington. Beide sind wesentlich größer als Corot und werden vier Jahre lang die Helligkeiten von etwa 100 000 Sternen messen. Optimisten hoffen, mit ihnen einige Dutzend erdähnliche Planeten zu finden. Die Transitmethode setzt voraus, dass der Planet auf seiner Bahn von der Erde aus gesehen vor dem Stern vorbeiwandert. "Statistisch tritt das lediglich bei einem von zweihundert Systemen auf", sagte der Eddington- Projektwissenschaftler Fabio Favata auf der Heidelberger Tagung. Außerdem verrät diese Methode nicht, ob der Planet eine Atmosphäre trägt: Diese entscheidende Information kann nur eine direkte Beobachtung liefern.

Im Infraroten sieht man besser

"Die Aufgabe ist vergleichbar damit, von Berlin aus in Marseille eine Kerze zu beobachten, die einen Meter neben einem Leuchtturm-Scheinwerfer flackert", erklärte Anders Karlsson von der ESA. Das Problem liegt nicht allein im geringen Abstand des dunklen Begleiters vom Zentralstern. Die Erde beispielsweise erschiene aus 30 Lichtjahren Distanz eine zehntel Bogensekunde von der Sonne entfernt - für heutige Teleskope kein Problem. Viel schwerer wiegt der enorme Helligkeitskontrast. Im sichtbaren Licht leuchtet ein Stern wie die Sonne rund eine Milliarde Mal heller als ein erdgroßer Planet, der lediglich einen geringen Teil des Sternlichts reflektiert. Im Infraroten ist die Situation günstiger, weil dort der Planet zunehmend selbst Wärmestrahlung aussendet. Im mittleren Infrarot sinkt das Intensitätsverhältnis auf etwa eins zu einer Million. Deshalb werden alle zukünftigen Instrumente in diesem Wellenlängenbereich arbeiten.

Doppelauge: Large Binocular Telescope

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Doppelauge: Mit dem Large Binocular Telescope, dem mit zwei 8,4-Meter-Spiegeln größten "Fernglas" der Welt, werden Forscher auf Planetenjagd gehen.

Am besten, so die Experten, lassen sich Planeten mittels so genannter Interferometrie studieren: Man beobachtet mit zwei oder mehr Teleskopen gleichzeitig einen Stern und bündelt dessen Licht in einem gemeinsamen Brennpunkt. Je weiter die Instrumente voneinander entfernt stehen, desto kleinere Details lassen sich erkennen. Allerdings erfordert dieses Verfahren eine ungeheure Präzision: Auf tausendstel Millimeter genau müssen die Lichtbündel der Teleskope zusammengeführt werden.

Deshalb blieb diese Technik im Bereich des sichtbaren und des infraroten Lichts lange Zeit nur wenigen Spezialisten vorbehalten. Inzwischen gelingt es den Astronomen, moderne Großteleskope zu Interferometern zusammenzukoppeln. Und damit sollte es von der Erde aus möglich sein, jupiterähnliche Gasplaneten nachzuweisen. Deshalb haben Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Astronomie das deutsche Zentrum für Interferometrie, FRINGE (Frontiers of Interferometry in Germany), gegründet: Es soll die Anstrengungen deutscher Institute auf diesem Gebiet koordinieren.

Einen ersten Erfolg feierten Astronomen jüngst auf dem 2100 Meter hohen chilenischen Berg Paranal, auf dessen Gipfel die Europäische Südsternwarte (ESO) ihr Very Large Telescope (VLT) betreibt: Am 15. Dezember 2002 gelang es, das Licht von zwei der vier 8-Meter-Teleskope in einem Messinstrument phasengleich zusammenzuführen und zur Interferenz zu bringen. Ein unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Astronomie gebautes Gerät namens MIDI ist weltweit das erste seiner Art, das solche Beobachtungen im mittleren Infrarot an großen Teleskopen ermöglicht. "Wir hoffen, dass wir mit unserem Instrument heiße Gasplaneten nachweisen und deren Abstand zum Stern direkt messen können", sagte Projektleiter Christoph Leinert. Dann ließen sich Bahnneigung und weitere physikalische Größen des Begleiters ermitteln.

Ein Fernrohr - zwei Spiegel

Sternfinsternis

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Sternfinsternis: Wie unsere Erde um die Sonne, so läuft auch ein extrasolarer Planet auf einer mehr oder weniger kreisförmigen Bahn um seinen Mutterstern. Wenn die Sichtlinie zur Erde "passt", zieht der Planet auf seinem Weg vor dem Zentralstern vorüber (oben). Dabei sinkt kurzzeitig dessen Helligkeit - was sich in der gemessenen Lichtkurve als kleine "Delle" verrät.

Ähnliche Anstrengungen unternehmen Astronomen an dem Large Binocular Telescope (LBT), einem weltweit einzigartigen Instrument, das derzeit auf dem Mount Graham in Arizona entsteht Dieses Großteleskop wird über zwei Spiegel mit Durchmessern von jeweils 8,4 Metern verfügen, die in einer gemeinsamen Montierung sitzen. Damit wird das LBT nicht nur das leistungsstärkste Einzelteleskop sein: Sein Doppelspiegel erlaubt interferometrische Beobachtungen. Damit entspricht sein Auflösungsvermögen dem eines Einzelspiegels mit 22,8 Metern Durchmesser. "Erstes Licht" mit einem der beiden Hauptspiegel ist für Mitte 2004 geplant, ein Jahr später soll das zweite "Auge" folgen. Deutschland beteiligt sich zu einem Viertel am LBT und zwar über die

Max-Planck-Institute für Astronomie, für Radioastronomie und für extraterrestrische Physik, ferner über die Landessternwarte Heidelberg und das Astrophysikalische Institut Potsdam. Zu den Instrumenten am LBT gehört ein Interferometer für die Planetenjagd im nahen Infrarot.

Ohne Interferometrie will ein europäisches Konsortium auskommen, das unter Führung des Max-Planck-Instituts für Astronomie an einem Instrument namens CHEOPS arbeitet eine Kamera mit adaptiver Optik, einer hohen Abbildungsqualität und der Fähigkeit, starke Helligkeitskontraste in der unmittelbaren Umgebung heller Objekte aufzulösen. CHEOPS soll zur zweiten Instrumentengeneration am Very Large Telescope gehören; seine Technik nutzt zwei Tatsachen: Erstens weist ein Stern andere Spektraleigenschaften auf als sein Planet. Zweitens ist das von einem Gasplaneten reflektierte Sternlicht im Mittel zu 50 Prozent polarisiert, schwingt also vorwiegend in einer bestimmten Ebene. Richtung und Grad der Polarisation schwanken während des Umlaufs um den Stern. Das direkte Sternlicht dagegen ist unpolarisiert. Mit CHEOPS wollen die Astronomen einen Stern in mehreren Wellenlängen und Polarisationswinkeln aufnehmen. In der Differenz dieser Bilder sollte sich der Stern "auslöschen" und der Planet "aufscheinen".

Schutzbau: "Kuppel" des Large Binocular Telescope

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Schutzbau: die "Kuppel" des Large Binocular Telescope auf dem 3200 Meter hohen Mount Graham im US-Bundesstaat Arizona.

Gleichzeitig mit CHEOPS brachte ein französisch geführtes Konsortium einen konkurrierenden Antrag ein. Daraufhin hat die ESO beide Konsortien mit dem Erstellen jeweils einer vollständigen Studie beauftragt. Ende 2004 werden die beiden Vorschläge begutachtet und ein Konzept ausgewählt. Im Idealfall könnten die Beobachtungen im Jahr 2009 beginnen.

Einig war man sich in Heidelberg, dass es mit den geplanten Instrumenten möglich sein sollte, Gasplaneten nachzuweisen und zu untersuchen. Doch die wesentlich unscheinbareren Exoplaneten von der Größe der Erde werden sich weiterhin im gleißend hellen Flirren ihres Muttersterns verbergen: Sie zu studieren wird wohl nur vom Weltraum aus möglich sein. Derzeit untersuchen Astronomen der ESA und der NASA zwei Projekte: DARWIN und Terrestrial Planet Finder (TPF). Am europäischen DARWIN - einem Weltrauminterferometer - planen auch Max-Planck-Forscher mit. Es soll aus sechs frei fliegenden Teleskopen mit 1,5-Meter-Spiegeln bestehen, die in mehreren zehn oder hundert Metern Abstand voneinander im Formationsflug um die Sonne kreisen. Ihre sechs Strahlenbündel werden in einem zentral fliegenden Satelliten zusammengeführt, wobei die gegenseitigen Abstände der Teleskope bis auf einen Zentimeter genau eingehalten werden müssen. Ein Spiegelsystem im Innern des Zentralsatelliten gleicht dann die Weglängen aller Lichtbündel auf einen hunderttausendstel Millimeter genau aus. Das entstehende Interferogramm funkt ein Relais-Satellit zur Erde. Da DARWIN im Infrarot arbeiten soll, müssen die Teleskope auf minus 233, die Detektoren auf minus 265 Grad Celsius gekühlt werden.

Planetenjagd mit der Maske

Michel Mayor, einer der Erstentdecker von extrasolaren Planeten

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Einer der zwei Stars der Szene zu Besuch in Heidelberg: einer der Erstentdecker von extrasolaren Planeten, Michel Mayor.

Parallel studiert die amerikanische Raumfahrtbehörde den Terrestrial Planet Finder: Die NASA prüft sowohl den Bau eines Interferometers (ähnlich DARWIN) als auch die Konstruktion eines Koronographen eines Einzelteleskops mit einem 10 Meter-Spiegel, in dem sich ein Stern mithilfe einer Maske abdecken lässt. Auf den ersten Blick erscheint dieses Prinzip wesentlich einfacher als ein Interferometer. Ein Koronograph stellt jedoch enorme Anforderungen an die Oberflächengenauigkeit des Spiegels. Dieser müsste zudem extrem leicht sein und würde erst im Weltraum entfaltet, da keine Rakete groß genug ist, ihn "am Stück" ins All zu transportieren.

"Bis 2006 wollen ESA und NASA ihre Studien abschließen und sich dann auf ein gemeinsames Konzept einigen", sagte Charles Beichman vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. Das Gerät soll in der Lage sein, Planeten von der Größe der Erde in der bewohnbaren Zone um einen Stern nachzuweisen. Darüber hinaus wollen die Astronomen die Planeten damit spektroskopisch untersuchen, um nach Atmosphären und Anzeichen für Leben zu fahnden molekularer Sauerstoff oder Ozon gelten als Indizien dafür.

Jill Tarter: Pionierin der Suche nach außerirdischer Intelligenz

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Der zweite Star der Szene zu Besuch in Heidelberg: Die Pionierin der Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI), Jill Tarter. Sie war das Vorbild für die Rolle von Jodie Foster in dem Spielfilm "Contact".

Läuft alles nach Plan, startet die Planetensuchmaschine im Jahr 2014 ins All und fahndet mindestens vier Jahre lang nach terrestrischen Planeten. Die technischen Anforderungen sind jedoch so hoch, dass man zuvor Teile der notwendigen Technik am Boden und im Weltraum testen will. Einer dieser Zwischenschritte soll die europäische Mission Smart 2 sein, mit der die Forscher den präzisen Formationsflug proben möchten. Die NASA plant ihrerseits für 2009 die Space Interferometry Mission: ein frei fliegendes Interferometer, in dem die Satelliten einen Abstand von etwa zehn Metern voneinander einhalten. Dieses Testgerät soll bis in 30 Lichtjahre Entfernung Planeten mit mindestens zehn Erdmassen in der bewohnbaren Zone eines Sterns erfassen. Erfüllen sich die Träume der Ingenieure und Wissenschaftler, dann stoßen sie in nicht allzu ferner Zukunft auf eine zweite Erde - und vollenden, so Thomas Henning, die Kopernikanische Revolution ...