Exoplaneten und wie man sie findet

Bereits seit über fünfzig Jahren erforschen Wissenschaftler unser Sonnensystem. Mithilfe von Raumsonden haben sie unsere Nachbarplaneten ausführlich untersucht und dabei jede Menge neue Erkenntnisse ans Licht gebracht. Doch wie sieht das Universum außerhalb unserer nächsten Nachbarschaft aus? Gibt es Planeten, die um andere Sterne als unsere Sonne kreisen? Und mit welchen Methoden lassen sie sich aufspüren? Diesen und noch weiteren Fragen ist Lucia Härer nachgegangen.

Exoplaneten sind Planeten, die um einen anderen Stern als unsere Sonne kreisen. Im Sonderfall können Exoplaneten auch an kein Sonnensystem gebunden sein und einsam durch das Weltall ziehen. Erste Beobachtungen von solchen Himmelskörpern stammen aus den 1990-er Jahren. Dass es erst so spät zu diesen Entdeckungen kam, liegt vor allem daran, dass Planeten nicht selbst leuchten. Wie auch die Planeten in unserer nächsten Nähe werden Exoplaneten von ihrem Zentralgestirn nur angestrahlt. Sogar die äußersten Planeten unseres eigenen Sonnensystems, Uranus und Neptun, zeigten sich aufgrund ihrer geringen Helligkeit erst Ende des 18. und Mitte des 19. Jahrhunderts – mit Hilfe des technischen Fortschritts.

Vor einem rötlichen Hintergrund findet sich ein schwarzer Kreis mit einer ihn umkreisenden hellroten Ellipse. Ein Teil der Ellipse ist als quadratischer, vergrößerter Bildausschnitt hervorgehoben. Dort sind ein Zeitstrahl und rote helle Punkte abgebildet.
Direkte Aufnahme eines Exoplaneten

Dazu kommt die meist große Entfernung extrasolarer Planeten, weshalb direkte Beobachtungen mit Ausnahme von nahen Gasriesen wie Jupiter fast unmöglich sind. Der Mutterstern eines fernen Sonnensystems leuchtet jedoch selbst und sendet dabei millionenfach helleres Licht als ein Exoplanet aus. Dieses Licht können Forscher problemlos mit Teleskopen auffangen und untersuchen. Oft sind diese Sterne sogar mit bloßem Auge sichtbar.

Heutzutage vermelden Weltraumteleskope wie zum Beispiel Kepler oder COROT ständig neue Kandidaten für extrasolare Planeten. Dabei handelt es sich sogar manchmal um die besonders schwer zu findenden, kleinen Gesteinsplaneten, ähnlich unserer Erde.

 

Indirekte Beobachtungen mithilfe des Sternenlichts

Auf einer Grafik sind viele schwarze Punkte als Werte eingetragen. Die Punkte beschreiben einen zunächst konstanten Verlauf der in der Mitte der Grafik abfällt und nach weiterem konstanten Verlauf wieder zum Anfangswert ansteigt. Links und unten stehen Beschriftungen der Achsen.
Lichtkurve

Eine Möglichkeit, Exoplaneten nachzuweisen, bietet die Transitmethode. Dahinter verbirgt sich ein sehr einfaches Prinzip: Zieht ein Planet von uns aus gesehen vor seinem Mutterstern vorbei, verdunkelt er einen Teil des Sterns, es kommt zu einer Art Mini-Sonnenfinsternis. Dieses teilweise Verdecken eines Himmelobjektes durch ein anderes nennt sich Transit. Die geringe Größe des Exoplaneten im Vergleich zum Mutterstern und die große Entfernung zu uns führen dazu, dass die verursachten Helligkeitsschwankungen sehr klein sind. Vergleichbar hierzu wäre ein Staubkorn, das in fünfhundert Kilometern Entfernung das Licht einer gewöhnlichen Taschenlampe abdunkelt. Trotzdem können Weltraumteleskope Planeten aufspüren, die bist zu 27.000 Lichtjahre von uns entfernt sind. Mit Hilfe spezieller Geräte messen Forscher das Licht, das ein Stern über einen gewissen Zeitraum abstrahlt. Enthält die Lichtkurve ein Minimum, ist dies ein Hinweis darauf, dass ein Planet vor dem Mutterstern vorbeigezogen ist.

Allerdings können Wissenschaftler nicht von jedem Helligkeitsminimum auf einen Exoplaneten schließen. Sonnenflecken, Mehrfachsternsysteme und Pulsare zeigen ebenfalls Helligkeitsschwankungen auf, ohne dass ein Planet an ihnen vorüberzieht. Deshalb beobachten Forscher solche Sterne über sehr lange Zeit. Erst wenn sie mindestens drei Transits detektieren, die sich periodisch wiederholen, kommt ein Exoplanet infrage. Um die Entdeckung eines neuen Planeten aber endgültig zu bestätigen, sind weitere Aufspürmethoden nötig. 

Sternspektren und der Dopplereffekt

Eine davon ist die Radialgeschwindigkeitsmethode. Dabei untersuchen Forscher die Verteilung der Wellenlängen, die im Sternenlicht enthalten sind, – das Sternspektrum – auf periodische Veränderungen. Denn bewegt sich ein Stern auf den beobachtenden Forscher zu, verkürzen sich die Wellenlängen des Sternenlichts, die elektromagnetischen Wellen werden quasi zusammengestaucht. Die Folge ist, dass das Licht, das der Forscher beobachtet, ins Blaue verschoben ist. Bewegt sich der Stern vom Beobachter weg verlängern sich die Wellenlängen und das Spektrum verschiebt sich ins Rote. Dieser Effekt – Dopplereffekt genannt – gilt übrigens auch für Schallwellen und lässt sich an der Veränderung der Tonhöhe der Sirene eines vorbeifahrenden Polizeiautos feststellen.

Links unten ist eine blaugrüne Erdkugel abgebildet. Auf sie zu verlaufen eine blaue, kurzwellige Wellenlinie und eine rote langwellige Linie zu. Die Wellenlinien entstammen von einem rechts oben doppelt abgebildeten gelben Kreises, dem Stern. Beide gelben Kreise sind durch eine gelbe Kreisbahn verbunden, die ihren Verlauf darstellen soll. Der eine gelbe Kreis bewegt sich von der Erdkugel weg, von ihr geht die rote Wellenlinie ab. Der andere gelbe Kreis bewegt sich auf die Erde zu, von ihr geht die blaue Linie ab. Weiter außen ist ein kleiner brauner Kreis eingezeichnet, der den Exoplaneten darstellt. Er umrundet beide gelben Kreise, den Stern, auf einer eingezeichneten, gelben Kreisbahn.
Radialgeschwindigkeitsmethode

Aufgrund von gravitativer Anziehung zwischen Planet und Stern und der Impulserhaltung stehen Sterne in Planetensystemen nicht völlig still, sondern kreisen zusammen mit ihren Planeten um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt. Der Planet „zerrt“ sozusagen am Stern. Gut vergleichen lässt sich das mit einem Hammerwerfer, der beim Schleudern des Hammers Ausgleichsbewegungen machen muss. Wegen ihrer größeren Masse bewegen sich der Stern und der Hammerwerfer auf kleineren Kreisen als der Planet und der Hammer.

Diese winzigen Kreisbewegungen eines Sterns erkennen die Wissenschaftler anhand der periodischen Verschiebungen in den Sternspektren.

 

Suche nach einer zweiten Erde

Die Verwendung verschiedener Nachweismethoden spielt für die Entdeckung von Exoplaneten eine große Rolle. Zum einen können Wissenschaftler Störfaktoren sehr viel besser ausschließen, zum anderen ergänzen sich die einzelnen Methoden sehr gut, was die ermittelbaren Messgrößen betrifft. So lässt sich aus der Transitmethode die Größe des Planeten bestimmen. Zusammen mit der Radialgeschwindigkeitsmethode, die Auskunft über die Masse des Planeten gibt, erhalten Wissenschaftler Informationen über die Dichte. Die Dichte von Exoplaneten ist eine sehr interessante Größe, da sie direkte Hinweise auf die Zusammensetzung des Himmelskörpers gibt. Forscher unterscheiden große Gasplaneten mit geringer Dichte, die vorwiegend Wasserstoff und Helium enthalten, von kleinen, kompakten Gesteinsplaneten. Diese bestehen meist aus Gestein, Metallen, Kohlenstoff und Wasser und sind unserer Erde am ähnlichsten. 

Schwarzer Hintergrund mit hellgelbem Ausschnitt eines Sterns, das fast das gesamt Bild ausfüllt. Vor dem Hintergrund des gelben Sterns sind in zwei Reihen sechs schwarze runde Planeten zum Größenvergleich untereinandergestellt. Die obere Planetenreihe stellt etwas kleinere Planeten dar als die untere Reihe. Beide Reihen verlaufen von links nach rechts in aufsteigender Größe der Planeten. Sie sind jeweils mit den Elementbestandteilen beschriftet.
Größe und Dichte von Planeten

Neben der Transit- und Radialgeschwindigkeitsmethode gibt es noch weitere Aufspürverfahren wie zum Beispiel direkte Fotos oder Nachweise über den Gravitationslinseneffekt. Dabei wird Licht aufgrund der Gravitationsanziehung durch große Massen zwischen dem Beobachter und dem Stern abgelenkt und verstärkt. So lassen sich auch dunkle, schwere Objekte, wie große Exoplaneten, die sehr weit entfernt sind, detektieren.

Ob wir aber eine zweite Erde entdecken werden, weiß niemand. Doch die Technik der Wissenschaftler entwickelt sich ständig weiter und die Möglichkeiten, einen erdähnlichen Planeten zu finden, werden immer vielfältiger. Erste Erfolge gibt es bereits: Im Dezember 2011 vermeldeten Wissenschaftler mithilfe von Messungen des Weltraumteleskops Kepler die Entdeckung des ersten Planeten in lebensfreundlicher Zone um einen sonnenähnlichen Stern. Seitdem hat es noch mehr solcher Entdeckungen gegeben.