Astronomen finden Planeten um fremde Sterne mit mehreren unterschiedlichen Verfahren, doch die erfolgreichsten sind die Transitmethode des Weltraumteleskops Kepler und die spektroskopische Radialgeschwindigkeitsmethode. Letztere nutzen die Forscher am Instrument "High Accuracy Radial velocity Planet Searcher" (HARPS) der Europäischen Südsternwarte (ESO). Spektrallinien im Sternlicht – also einzelne Farben – werden mit denjenigen einer Referenzlichtquelle verglichen. Umlaufen Exoplaneten den Stern, so verschieben sich die Linien im Sternspektrum periodisch mit der Umlaufdauer der Planeten relativ zu den Referenzlinien. Bereits mehr als 150 Exoplaneten wurden so mit HARPS entdeckt, darunter auch einige Supererden mit der mehrfachen Masse unseres Heimatplaneten. Wissenschaftler zeigten nun, dass eine neue laserbasierte Methode die Genauigkeit dieser Messungen zukünftig deutlich erhöhen könnte und sich so auch erdähnliche Exoplaneten aufspüren lassen.

Frequenzkamm
© 2005 The Royal Swedish Academy of Sciences
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Der Knackpunkt der spektroskopischen Suchmethode ist die Referenzlichtquelle. Sie liefert den absoluten Maßstab, mit dem die Linien im Sternlicht verglichen werden. Je genauer sich dieser einstellen lässt, desto kleinere Schwankungen der Spektrallinien können die Astronomen registrieren und damit masseärmere Exoplaneten aufspüren. Variiert der Maßstab seine Eigenlänge aufgrund äußerer Einflüsse, begrenzt dies letztlich die Genauigkeit aller Messungen. Die Messlatte der Wahl ist derzeit eine spezielle auf dem Element Thorium basierende Lampe, doch nun zeigte ein deutsch-spanisches Team um Tobias Wilken vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, dass eine besondere Laserlichtquelle deutlich besser geeignet ist.

Dazu erzeugten Willen und seine Kollegen mit einem mehrstufigen Aufbau einen so genannten Laser-Frequenzkamm, also eine extrem gleichmäßige Abfolge von Farblinien. Dieses Prinzip ist seit mehreren Jahren bekannt, auch dass es sich hochgenau kalibrieren lässt. Erstmals gelang es den Forschern nun, das spezielle Laserlicht in das HARPS-Instrument der ESO einzuspeisen, die bisher verwendete Thoriumlampe zu ersetzen und die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu belegen.

Als ersten Test untersuchten die Wissenschaftler die Stabilität des HARPS-Instruments selber. Die Apparatur verfügt über zwei Eingänge, einen für das Referenzlicht, einen für das Sternlicht. Ihr Vergleich zeigt im normalen Messbetrieb Verschiebungen der Spektrallinien gegeneinander. Beim Selbsttest fütterte Wilkes Team beide Eingänge der Apparatur mit dem Laserlicht, alle danach gemessen Verschiebungen treten also allein im Instrument auf, verursacht zum Beispiel durch Temperatur- oder Druckunterschiede. Das Ergebnis der Prüfung: umgerechnet auf Geschwindigkeitsänderungen eines beobachteten Sterns ist die Verschiebung meist nahe beim theoretisch erwarteten Wert von 7 bis 10 Zentimeter pro Sekunde. Über zwei Monate entsprach die Verschiebung nur 34 Zentimetern pro Sekunde. Mit der bisherigen Lichtquelle lassen sich Geschwindigkeiten von rund einem Meter pro Sekunde nachweisen, der Frequenzkamm verbessert die langfristigen Messungen also um einen Faktor drei. Auf Dauer hängt die Genauigkeit des Kamms nur von der Präzision der Atomuhr ab, mit der die Forscher seine Frequenzen abstimmen.

Exoplanet bei HD 75289
© Wilken, T. et al.: A spectrograph for exoplanet observations calibrated at the centimetre-per-second level. In: Nature 485, S. 611-614, 2012, fig. 4
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Auf kurzen Zeitskalen misst die neue Methode sogar noch genauer. Durch die Kombination zeitlich benachbarter Messungen lässt sich die Präzision auf bis zu 2,5 Zentimeter pro Sekunde steigern, viermal genauer als mit der derzeit verwendeten Thoriumlampe.

Als zweiten Test bewiesen die Astronomen die Alltagstauglichkeit ihrer Entwicklung. Im Praxiseinsatz maßen sie die Radialgeschwindigkeit des Sterns HD 75289, der von einem bereits bekannten Exoplanet von Jupitermasse umlaufen wird. Ihre Daten stimmen gut mit den bisherigen Messungen überein, doch eine kleine Differenz bleibt. Mögliche Erklärungen sind Pulsationen oder Aktivität des Muttersterns, oder aber ein bislang unentdeckter weiterer Planet. Wilke und Kollegen sind aber überzeugt, dass ihre Methode zukünftig routinemäßig zur Suche nach Exoplaneten durch Radialgeschwindigkeitsmessungen verwendet werden kann.