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Exoplaneten

Wie sehen die fernen Welten aus?

Erste flüchtige Blicke zeigen den Astronomen, wie Planeten bei anderen Sternen wirklich aussehen. Möglich machen das Analysen des spektroskopischen Fingerabdrucks ihrer Atmosphäre.
Kepler 186f - Künstlerische Illustration

Aus dem Rinnsal ist ein reißender Strom geworden: Vor wenig mehr als zwei Jahrzehnten spürten Astronomen die ersten Planeten bei anderen Sternen auf – die stetige Verbesserung der Instrumente hat die Anzahl der Exoplaneten inzwischen auf mehr als 2000 anwachsen lassen. Zu den Entdeckungen zählen "heiße Jupiter", "Super-Erden" und andere Himmelskörper, für die es keine Entsprechungen in unserem Sonnensystem gibt. Die Forscher waren daher gezwungen, ihre Vorstellungen über die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen radikal zu überdenken.

Die Entdeckungen sind aber erst der Anfang. Die Erforschung der Exoplaneten ist in einer entscheidenden Phase: Jetzt geht es darum herauszufinden, wie diese fernen Welten beschaffen sind. Die meisten Suchmethoden liefern wenig mehr als die Masse, die Größe und die Umlaufbahn eines aufgespürten Planeten. Handelt es sich um einen Gesteinsplaneten wie die Erde oder um einen Gasplaneten wie Jupiter? Ist der Planet glühend heiß oder bitterkalt? Woraus besteht seine Atmosphäre? Enthält sie Moleküle wie Wasser, Methan oder Sauerstoff in ungewöhnlichen, chemisch nicht stabilen Verhältnissen, die ein Hinweis auf die Existenz von Leben sein könnten?

Den Astronomen steht nur ein einziges zuverlässiges Werkzeug zur Verfügung, um solche Fragen zu beantworten: die Spektroskopie. Diese Methode analysiert die Wellenlängen des Lichts, das entweder direkt von der Oberfläche eines Planeten kommt oder durch seine Atmosphäre hindurchgeht. Jedes Element und jede chemische Verbindung erzeugt ein charakteristisches Muster von Spektrallinien – Spitzen oder Täler in der Intensität des Lichts bei bekannten Wellenlängen. Aus dem Spektrum eines Objekts kann ein Beobachter deshalb ablesen, welche Substanzen dort vorhanden sind. "Ohne Spektroskopie kann man praktisch nur raten, was man sieht", sagt Ian Crossfield, Astronom an der University of Arizona in Tucson.

Doch die konventionelle Spektroskopie erforderte einen klaren Blick auf das Objekt – und der ist bei Exoplaneten selten verfügbar. Die meisten der fernen Welten verraten sich nur durch eine leichte Abschwächung der Helligkeit ihres Sterns bei einem Transit – wenn sie also von der Erde aus gesehen vor dem Stern vorüberziehen. Andere Planeten machen sich durch ein geringfügiges Torkeln ihres Sterns bemerkbar, verursacht durch die Anziehungskraft des um ihn kreisenden Planeten. Astronomen vergleichen die Beobachtung von Exoplaneten gern mit dem Blick in einen fernen Suchscheinwerfer – den Stern – und dem Versuch, einen unmittelbar neben dem hellen Scheinwerfer flatternden Leuchtkäfer – den Planeten – auszumachen.

In den vergangenen Jahren haben die Beobachter jedoch Fortschritte gemacht. Einigen Forschern gelang es, Spektren des Lichts zu erhalten, das durch die Atmosphäre von Exoplaneten hindurchging, während sie vor ihrem Stern vorüberzogen. Vergleichbar wäre das mit der Messung der Flügelfarbe eines Leuchtkäfers, wenn der durch den Lichtstrahl des Scheinwerfers huscht. Andere Wissenschaftler blendeten das Licht von Sternen aus, um so in großem Abstand kreisende Planeten sichtbar zu machen und sogar ihre Spektren direkt zu messen.

Mit einer neuen Generation spezieller Instrumente haben Astronomen in den vergangenen zwei Jahren begonnen, routinemäßig Spektren von Exoplaneten aufzunehmen. Eines dieser Geräte ist der Gemini Planet Imager am 8,1-Meter-Teleskop Gemini-Süd auf dem Gipfel des Cerro Pachon in Chile. Die Spektroskopie von Exoplaneten ist zudem das vorrangige Ziel einer ganzen Reihe von Raumfahrzeugen und neuen Teleskopen auf der Erde, die derzeit in der Entwicklungsphase sind. Und schließlich warten die Astronomen ungeduldig auf das James Webb Space Telescope (JWST) der NASA, dessen Start für 2018 vorgesehen ist – und das dann mit seiner enormen Lichtstärke und Empfindlichkeit ebenfalls für die Erforschung von Exoplaneten zur Verfügung steht.

Transitspektroskopie

Den ersten Planeten bei einem sonnenähnlichen Stern spürten 1995 Michel Mayor und Didier Quéloz von der Sternwarte Genf auf. Der Stern 51 Pegasi bewegt sich, so fanden die beiden Forscher heraus, regelmäßig ein wenig vor und zurück. Ein Planet mit der 150-fachen Masse der Erde – das ist etwa die Hälfte der Jupitermasse – verursacht mit seiner Anziehungskraft dieses Taumeln, das folgerten Mayor und Quéloz. Er umkreist 51 Pegasi mit einer Periode von etwa vier Tagen. Damit begann die Jagd auf Exoplaneten und eine stetig wachsende Zahl von Entdeckungen folgte – und führte dazu, dass mehr und mehr Zeit an großen Teleskopen für das neue Forschungsgebiet zur Verfügung stand.

Die anwachsende Liste der bekannten Exoplaneten brachte David Charbonneau vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics im US-amerikanischen Cambridge auf eine Idee. Wenn ein Planet von der Erde aus gesehen vor dem Stern vorüberzieht, so überlegte er sich, absorbieren die Moleküle in der Atmosphäre des Planeten einen kleinen Teil des Sternenlichts und hinterlassen so ihren spektroskopischen Fingerabdruck. Ob es wohl möglich wäre, diesen Fingerabdruck nachzuweisen?

Um die Frage zu beantworten, entschied sich Charbonneau, nach Natrium zu suchen. "Natrium kommt zwar nicht besonders häufig vor", erklärt der Forscher, "aber es besitzt eindeutige spektrale Merkmale." So senden angeregte Natriummoleküle zwei sehr starke Linien aus, die Natriumdampflampen zu ihrem charakteristischen gelben Licht verhelfen. Wenn Licht durch Natriumdampf hindurchgeht, dann absorbieren die Moleküle es genau bei den Wellenlängen dieser Linien. Der Astronom hoffte, dass sich diese Linien vergleichsweise leicht aufspüren ließen.

Und er hatte Recht: Bereits 2002 gelang Charbonneau und seinem Team mit dem Weltraumteleskop Hubble der Nachweis von Natrium in der Atmosphäre eines jupitergroßen Exoplaneten, der den 150 Lichtjahre entfernten Stern HD 209458 umkreist. Es handelte sich um die erste spektroskopische Beobachtung eines Exoplaneten – und zugleich um den ersten Nachweis einer Atmosphäre bei einem Exoplaneten. In den nachfolgenden Jahren lieferten Transitbeobachtungen vollständigere Spektren und spürten weitere Gase wie Kohlenmonoxid sowie Wasserdampf auf.

Bei der Transitspektroskopie suchen die Astronomen nach winzigen Veränderungen im Spektrum des Sterns, weniger als ein hundertstel Prozent, wie Charbonneau erläutert. Hubble war und ist deshalb die erste Wahl der Beobachter, denn das Weltraumteleskop wird nicht durch die Absorption von Licht in der Erdatmosphäre beeinträchtigt. Die Spektren sind daher sehr sauber und einfach zu interpretieren. Aber der Konkurrenzkampf um Beobachtungszeit ist hart – deshalb müssen die Astronomen auch auf Teleskope auf der Erde ausweichen.

Dort haben sie dann zwar mit Störungen durch die Atmosphäre zu kämpfen, können dafür aber mehr Licht sammeln, als es mit Hubble möglich ist. So können sie leuchtschwächere Objekte entdecken und individuelle spektrale Merkmale besser voneinander trennen. Das zahlt sich insbesondere deshalb aus, weil sich die meisten Sterne relativ zur Erde bewegen. "Ihr Licht ist deshalb dopplerverschoben", sagt Charbonneau, die Bewegung vergrößert oder verkleinert also die Wellenlängen des Lichts und verschiebt dadurch die Spektrallinien geringfügig gegenüber den entsprechenden Linien der irdischen Atmosphäre. Dadurch können die Beobachter die Absorption der irdischen Atmosphäre von jener der Atmosphäre des Exoplaneten trennen. Mit dieser Methode ist es Astronomen bereits gelungen, Gase aufzuspüren, deren Anteil weniger als 10 ppm (oder ein Hunderttausendstel) der Planetenatmosphäre beträgt.

Eine Erweiterung der Transitspektroskopie erlaubt den Astronomen sogar, vom Planeten reflektiertes Licht zu messen. Dazu beobachten sie ein System, wenn der Planet sich nicht vor dem Stern, sondern auf der anderen Seite seiner Umlaufbahn befindet. Dann ist von der Erde aus seine Tagseite vollständig sichtbar. Zwar können die Forscher den Planeten nicht als separates Objekt ausmachen, aber sie messen nun eine Kombination aus dem Spektrum des Sterns und dem Spektrum des Planeten. Zieht dann der Planet von der Erde aus gesehen hinter dem Stern vorüber, bleibt nur das Spektrum des Sterns übrig. "Wir haben also zunächst Stern plus Planet – und dann nur noch Stern", erläutert Nicolas Cowan vom McGill Space Institute in Montreal, Kanada. "Die Differenz zwischen beiden Messungen liefert uns das Licht des Planeten." Die Beobachtung solcher Planetenbedeckungen ist nicht einfach, aber es funktioniert im Infrarotbereich bei jupitergroßen Planeten in engen Umlaufbahnen, sogar wenn ihre Helligkeit geringer ist als 0,1 Prozent der Sternhelligkeit.

Im Sternenschatten
Im Sternenschatten | Um das Licht eines Exoplaneten zu untersuchen, verwenden Astronomen vor allem zwei Methoden.

Eine noch größere Herausforderung ist es, einen Exoplaneten mit dieser Methode über einen ganzen Umlauf zu verfolgen. Ziehen die Astronomen jeweils das bei der Bedeckung des Planeten erhaltene Sternspektrum ab, so erhalten sie Spektren der Atmosphäre bei verschiedenen Phasen – von einer dünnen Sichel unmittelbar nach dem Transit über einen "Halbplaneten" bis zum fast vollen Planetenscheibchen kurz vor der Bedeckung. Auf diese Weise bekommen die Forscher eine aufgelöste Karte des Planeten und können sogar Veränderungen in der Atmosphäre beobachten. Cowan und seine Kollegen haben das Verfahren erstmals 2012 mit Daten des Infrarot-Weltraumteleskops Spitzer angewendet. Wie sie zeigen konnten, ist der Exoplanet HD 189733b innerhalb von zehn Grad um den Äquator herum am wärmsten, ganz wie es theoretische Modelle vorhersagen. Seither haben andere Teams mit Hilfe von Hubble und Spitzer die Atmosphären weiterer Exoplaneten sogar noch detaillierter vermessen. Mit dem JWST, meint Cowan, "können wir dreidimensionale Karten der Atmosphären heißer Jupiter erhalten."

Doch die Transitspektroskopie hat auch ihre Grenzen. Einige Exoplaneten zeigen nichtssagende Spektren ohne auffällige Details, typisch für Wolken aus Tröpfchen oder feinem Staub. Das bereitet den Forscher Kopfzerbrechen. "Wir können nicht direkt messen, woraus die Wolken bestehen", so Charbonneau, "wir wissen nur, dass sie das Licht absorbieren." Die Wolken müssen keineswegs aus Wasserdampf bestehen. Wie Charbonneau erläutert, ist beispielsweise die 40 Lichtjahre entfernte, wolkenverhangene Super-Erde GJ 1214b so heiß, dass ihre Wolken aus Zinksulfid und Kaliumchlorid bestehen könnten. Auf noch heißeren Planeten könnte es gar Wolken aus Eisen- oder Gesteinströpfchen geben.

Auf ein weiteres Problem der Transitspektroskopie weist Lisa Kaltenegger, Direktorin des Carl Sagan Institute der Cornell University in den USA, hin: "Wenn Licht auf einen vor dem Stern vorüberziehenden Planeten trifft, wird es nicht nur absorbiert. Es wird auch abgelenkt." Diese Refraktion ist umso stärker, je dichter die Atmosphäre ist. Falls außerirdische Astronomen die Erde per Transitspektroskopie beobachten, so verhindert die Refraktion, dass sie Informationen über die unteren zehn Kilometer der Atmosphäre erhalten. Gerade dort befindet sich aber der meiste Wasserdampf. "Es ist also extrem schwierig", betont Kaltenegger, "Wasser auf erdähnlichen Planeten nachzuweisen."

Direkte Abbildung

Ein anderer Ansatz für die Entdeckung und Untersuchung von Exoplaneten ist es, das Licht der Sterne zu blockieren und dadurch ihre Planeten direkt sichtbar zu machen – so wie wir den Leuchtkäfer besser ausmachen können, wenn wir den Scheinwerfer mit unserer Hand verdecken. Erste Versuche in dieser Richtung waren erfolglos – selbst die leuchtschwächsten Sterne sind immer noch viel heller als ihre Planeten. Der Weg zum Erfolg führt über hellere Leuchtkäfer, die weiter vom Scheinwerfer entfernt flattern – junge Planeten, die noch durch die Hitze ihrer Entstehung glühen, in weiten Umlaufbahnen um ihre Sterne. Gleich zwei Forschergruppen präsentierten unabhängig voneinander 2008 erstmals direkte Aufnahmen von Exoplaneten. Zu den Objekten zählten drei Planeten, die den 60 Millionen Jahre alten Stern HR 8799 umkreisen, sowie ein Planet im Orbit um den 100 Millionen Jahre alten Stern Fomalhaut, der nur 26 Lichtjahre entfernte hellste Stern im Sternbild Südlicher Fisch.

Bei dem Verfahren blockieren Blenden im Strahlengang eines Teleskops das Licht des Sterns, während das Licht etwaiger Planeten an ihnen vorbeigeht. Zusätzlich setzen die Astronomen adaptive Optik ein, die Störungen durch die irdische Atmosphäre korrigiert – die Bilder sind dadurch ähnlich scharf wie bei Weltraumteleskopen und die Forscher können sogar Spektren der Objekte gewinnen.

"Durch direkte Abbildung erhaltene Spektren sind wundervoll und liefern uns viele Informationen über die Planeten und ihre Entstehung", sagt Bruce Macintosh von der Stanford University in Kalifornien, der zu den Entdeckern von HR 8799 gehört. Ihm und seinen Kollegen gelang 2011 der erste Nachweis von Wasserdampf in der Atmosphäre eines Exoplaneten. Das von dem Team verwendete Instrument gehörte zur ersten Generation direkt abbildender Geräte und konnte nur Exoplaneten mit Temperaturen oberhalb von 730 Grad Celsius beobachten. Inzwischen ist Macintosh Chefwissenschaftler des Gemini Planet Imager, bei dem es sich wie bei SPHERE, dem Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research Imager am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO, um ein Instrument der zweiten Generation handelt – und damit können die Forscher Spektren von Planeten bis zu Temperaturen von etwa 330 Grad Celsius aufnehmen.

Im November 2014 startete am Gemini-Teleskop ein mehrjähriges Projekt zur Suche nach jupiterähnlichen Planeten bei heißen, jungen Sternen. Erste Beobachtungen von 51 Eridani, einem 100 Lichtjahre entfernten, 20 Millionen Jahre alten Stern, führten zur Entdeckung eines jupiterähnlichen Planeten im 2,5-fachen Abstand Sonne-Jupiter. Sein Spektrum zeigte einen höheren Anteil an Methan – ein bekannter Bestandteil der Jupiteratmosphäre – als bei jedem anderen Exoplaneten. Das Aufregende an 51 Eridani b und anderen neuen Exoplaneten sei, so Currie, dass ihre Spektren etwas normaler und jupiterähnlicher aussehen als bei noch jüngeren, heißeren Planeten. Dort nämlich gibt es seltsamerweise keine Spur von Methan – und das könnte wertvolle Einblicke in die Entstehung von Planeten geben. Die gegenwärtige Theorie der Planetenentstehung basiert nahezu ausschließlich auf Daten aus unserem Sonnensystem.

Auch SPHERE ist auf der Jagd nach jupiterähnlichen Planeten, das Projekt dort begann allerdings erst im Februar 2015 und hat daher bislang weniger Ergebnisse geliefert. Die interessanteste Entdeckung, so Teammitglied Anthony Boccaletti vom Observatoire de Paris, seien fünf Gasklumpen, die sich mit hoher Geschwindigkeit von dem jungen, sehr aktiven Stern AU Microsopii fortbewegen. "Wir wissen wirklich nicht, worum es sich dabei handelt", unterstreicht der Forscher.

Reihenuntersuchung von Sternen

Die Spektroskopie von Exoplaneten hat also große Fortschritte gemacht. In den Anfangstagen mussten sich die Beobachter abmühen, extrem schwache Signale aus einer verrauschten Umgebung herauszufiltern. Die Ergebnisse waren oft zweifelhafter Natur. Das habe sich geändert, erläutert Crossfield: "Wenn wir jetzt etwas finden, hält es zumeist der Überprüfung stand und ist wiederholbar."

Und die nächste Generation von Instrumenten verspricht noch viel mehr. Für den August kommenden Jahres plant die NASA den Start des Transiting Exoplanet Survey Satellite TESS. Zwei Jahre lang soll er über 200 000 der hellsten Sterne in der näheren Umgebung des Sonnensystems nach Planetentransits absuchen. Und mit seinem 6,5 Meter großen Spiegel kann das geplante Weltraumteleskop JWST sehr viel mehr Exoplaneten sehen und untersuchen als Hubble mit seinem 2,4 Meter großen Spiegel. "TESS und JWST werden das Gebiet in fünf Jahren beherrschen", sagt Macintosh voraus.

Speziell für die Spektroskopie von Exoplaneten sind zwei weitere – allerdings noch nicht endgültig bewilligte – Missionen vorgesehen. Das 2,4 Meter große Wide Field Infrared Survey Telescope der NASA, das Mitte des nächsten Jahrzehnts starten könnte, dient zwar vorrangig der Beantwortung kosmologischer Fragen. Doch nebenher könnte es nach Einschätzung von Experten 2600 Exoplaneten aufspüren und untersuchen. Es könnte Bilder jupiterähnlicher Planeten bei nahen Sternen liefern. Kleinere, kältere Himmelskörper wie Pluto oder gar erdähnliche Planeten lägen jedoch außerhalb seiner Möglichkeiten, räumt Currie ein: "Dazu würden wir ein zehn Meter großes Teleskop benötigen."

Eine weitere Mission ist ARIEL, der Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey, einer von drei Kandidaten für eine ESA-Mission mittlerer Größe für das Jahr 2026. Das 1-Meter-Teleskop wäre auf die Transitspektroskopie spezialisiert sowie auf die Suche nach Planeten mit Temperaturen oberhalb von 230 Grad Celsius.

In etwa zehn Jahren, das hoffen die Himmelsforscher, sollten außerdem drei neue Großteleskope fertig gestellt sein: das 24,5 Meter große Giant Magellan Telescope am Las Campanas Observatory in Chile, das Thirty Meter Telescope auf dem Mauna Kea auf Hawaii und das European Extremely Large Telescope der ESO auf dem Cerro Armazones in Chile. Alle drei werden mit adaptiver Optik ausgestattet sein – und damit gut ausgerüstet für die Spektroskopie von Exoplaneten. Vermutlich sind die Wissenschaftler dann so weit, dass sie mit ihren Beobachtungen theoretische Modelle überprüfen, die auf den bis dahin gesammelten Daten aufbauen.

Und die mit diesen neuen Fernrohren möglichen Messungen könnten erstmalig die Chance bieten, Leben auf fernen Welten nachzuweisen, freut sich Charbonneau: "Ich bin so gespannt!"

15/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 15/2016

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