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Exoplaneten: Einmal extragalaktisch mit allem, bitte

Exoplaneten mögen zwar die Regel statt die Ausnahme sein. Trotzdem bleibt es schwierig, sie zu finden - und das gilt erst recht für Exoplaneten jenseits unserer Galaxie.
Die Spiralgalaxie UGC 2665, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop.

Seit Mitte der 1990er Jahre haben Astronominnen und Astronomen Tausende von Exoplaneten in der Galaxis gefunden. Doch diese »fast 5000 Exoplaneten« sind lächerlich wenig angesichts der Tatsache, dass es allein in unserer Milchstraße Milliarden von Exoplaneten geben sollte. Wagt man einen Blick jenseits der Milchstraße, wird es noch schlimmer.

Was extragalaktische Planeten betrifft, haben Forschende bislang eine einzelne Anomalie in der Andromedagalaxie ausfindig gemacht. Und einen anderen möglichen Kandidaten in der Whirlpool-Galaxie. Oder Indizien für ganz viele frei fliegende Planeten in einer namenlosen Galaxie in rund vier Milliarden Lichtjahren Entfernung. Also, vielleicht. Denn vielleicht gibt es bislang unseres Wissens nach aber auch noch gar keine extragalaktischen Exoplaneten. Es kommt ganz darauf an, wen man fragt.

Die Anomalie in der Andromedagalaxie

»Felsenfest gefunden wurde bislang noch kein extragalaktischer Exoplanet«, sagt Philippe Jetzer, Physiker von der Universität Zürich. »Aber es gibt Indizien.«

Ein solches Indiz hat das Team um Jetzer bereits 2009 gefunden: eine Anomalie in einem Gravitationslinsenereignis in der Andromedagalaxie. Die Andromedagalaxie ist unsere kosmisch unmittelbar benachbarte Spiralgalaxie – die, mit der die Milchstraße eines Tages kollidieren und verschmelzen wird. Solange ist sie immerhin rund 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Philippe Jetzer und seine Kollegen analysierten, ob es möglich wäre, in dieser Galaxie Exoplaneten mit Hilfe von Gravitationslinsen zu finden.

Andromedagalaxie | Dieser Ausschnitt der Andromedagalaxie wurde vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen. Allerdings kann auch dieses Instrument nicht auf Exoplanetenjagd in unserer benachbarten Spiralgalaxie gehen.

Beim Gravitationslinseneffekt sendet eine Lichtquelle im Hintergrund – gleich welcher Art genau diese Lichtquelle ist, Hauptsache, sie ist hell – Licht aus, das von einem massereichen Objekt im Vordergrund wie von einer Linse gebündelt wird. Auf großen Skalen kann man dabei prächtige Einsteinringe bewundern, oder die Hintergrundquelle erscheint sogar mehrfach. Bei einer Mikrolinse hingegen würde sich die Linse dadurch bemerkbar machen, indem die dahinterliegende Quelle vorübergehend heller erscheint. Prinzipiell lassen sich mit dieser Methode auch Planeten in unserer Milchstraße finden, die ihren Stern entweder in großer Entfernung umkreisen oder die ganz ohne Stern einsam und allein durch den Weltraum driften. Warum also nicht auch extragalaktische Exoplaneten?

»Es klappt nicht für einzelne Exoplaneten«, sagt Philippe Jetzer. Denn die 2,5 Millionen Lichtjahre Entfernung der Andromedagalaxie machen es immer noch unmöglich, das Licht einzelner Sterne wirklich optisch aufzulösen. Stattdessen müssten Forschende einzelne Pixel einer Aufnahme auf Helligkeitsschwankungen hin untersuchen. Ein einzelnes Pixel kann dann aber das Licht von mehreren Sternen enthalten. Immerhin, Jetzer und seine Kolleginnen und Kollegen kamen zum Schluss: Die Methode sollte funktionieren. Eine Statistik über Exoplaneten in der Andromedagalaxie ließe sich damit erstellen. Und sie fanden heraus, dass das Mikrolinsenereignis PA-99-N2 aus der Andromedagalaxie tatsächlich ein derartiger Exoplanet hätte sein können.

Eine Suche aber würde viel Zeit und vor allem relativ große Teleskope in Beschlag nehmen, nur um hinterher vielleicht eine statistische Aussage machen zu können: Für diese astronomische Fleißarbeit konnte sich bislang noch niemand erwärmen.

Auf in die Magellanschen Wolken

Eine Statistik über extragalaktische Exoplaneten klingt zwar wissenschaftlich solide, aber wenig sexy. Ein einzelner Exoplanet jenseits unserer Galaxis wäre schön. Wenn man ihn dann mit Hilfe von Gravitationswellen findet, dann wäre das noch viel schöner, obwohl manche Astronominnen und Astronomen schon grummeln mögen, dass die 2015 erstmals nachgewiesenen Gravitationswellen oft als eine Art Allheilmittel für astronomische Wehwehchen aller Art angesehen werden.

Aber vielleicht könnte er ja klappen, der Vorschlag von Camilla Danielski und Nicola Tamanini. In einem 2019 erschienenen Fachartikel schlagen die Astronomin vom Instituto de Astrofísica de Andalucía und der Physiker vom Laboratoire des deux Infinis in Toulouse folgendes Szenario vor: Man nehme ein Doppelsystem aus zwei sich umkreisenden Weißen Zwergen. Dieses Doppelsystem erzeugt Gravitationswellen. Würde es wiederum von einem Exoplaneten umkreist, sollte dies leichte periodische Störungen im Gravitationswellensignal erzeugen.

Danielski und Tamanini berechneten, dass sich dadurch exotische Exoplaneten nicht nur innerhalb unserer eigenen Galaxie nachweisen lassen sollten, sondern auch in den Magellanschen Wolken. Die Magellanschen Wolken sind Satellitengalaxien unserer Milchstraße, nicht ganz so prächtig wie die spiralbearmte Andromedagalaxie, aber immerhin definitiv extragalaktisch.

Der Wermutstropfen: Derzeit funktioniert das noch nicht. Denn Weiße Zwerge sind so massearm im Vergleich zu ihren verwandten Sternleichen, den Schwarzen Löchern und Neutronensternen, dass das Gravitationswellensignal sehr schwach wäre. Und dann müsste man darin eine kleine periodische Schwankung herausfiltern, die auf einen Exoplaneten hindeutet.

»Wir brauchen das Gravitationswellenobservatorium LISA im Weltall. LISA ist genau auf die niedrigen Frequenzen ausgelegt, bei denen wir ein solches Signal von einem Doppelsystem aus Weißen Zwergen und einem Exoplaneten erwarten würden«(Nicola Tamanini, Physiker, Le Laboratoire des deux Infinis)

Die Europäische Weltraumorganisation ESA rechnet mit einem Start des dafür nötigen Gravitationswellenobservatoriums LISA nicht vor 2034.

Milliarden extragalaktischer Exoplaneten in Milliarden Lichtjahren Entfernung?

Wem das alles zu lange dauert, könnte sich auch auf einen Fachartikel von Forschern der University of Oklahoma aus dem Jahr 2018 stürzen und zum Schluss kommen: Wieso gibt es extragalaktische Exoplaneten noch und nöcher, zumindest in irgendeiner Galaxie in rund vier Milliarden Lichtjahren Entfernung? Xinyu Dai und sein Kollege Eduardo Guerras kommen darin zum Schluss, dass es dort Exoplaneten gibt – und zwar rund 2000 frei fliegende planetare Objekte pro Stern. Das wäre, man kann es durchaus so schreiben, eine Menge.

Dai und Guerras wollen diese Planetenpopulation mit Hilfe des Mikrolinseneffekts mit Quasaren aufgespürt haben. Auch diese Technik beruht auf dem Gravitationslinseneffekt. Die Hintergrundquelle ist ein Quasar, die »Linse« ist in diesem Szenario die Galaxie in rund vier Milliarden Lichtjahren Entfernung. Die Linse verrät sich nicht nur als Helligkeitsschwankung im Licht des Quasars, sondern indem sie möglicherweise einige seiner Emissionslinien verschiebt: jene Linien, die auf das Vorhandensein von chemischen Elementen in der Umgebung des Quasars hindeuten, in diesem Fall eine Emissionslinie von neutralem Eisen.

Ein Teil dieser Verschiebung, so die beiden Forscher, könne sich nicht ausschließlich durch die Sterne der Galaxie erklären lassen. Sondern es bräuchte zusätzlich sehr viele frei fliegende, ungebundene Exoplaneten. Doch kann man durch dieses Ausschlussverfahren wirklich auf extragalaktische Exoplaneten schließen?

»Diese Behauptung halte ich für ziemlich übertrieben», sagt Joachim Wambsganß von der Universität Heidelberg. »Beim Mikrogravitationslinseneffekt von Quasaren ist es nicht möglich, direkt die Masse der Linsen zu bestimmen. Für die Verschiebung der Spektrallinien können auch eine ganze Reihe anderer Erklärungsmöglichkeiten verantwortlich sein. Ich denke, für solche außergewöhnlichen Behauptungen sollte man außergewöhnlich starke Nachweise erbringen. Sonst kann das der Wissenschaft eher schaden als nutzen.«

Auf in die Whirlpool-Galaxie zum extragalaktischen Kandidaten M51-ULS-1 b

Jenseits der Andromedagalaxie und den Magellanschen Wolken gibt es eine Menge andere Galaxien. Zum Beispiel die Whirlpool-Galaxie M51, die ihrem Spitznamen alle Ehre macht und wahrhaft prächtig aussieht, da draußen in rund 30 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Jagdhunde.

Whirlpool-Galaxie M51 | Die Whirlpool-Galaxie M51 mag im sichtbaren Bereich wie eine ganz normale, wenn auch sehr hübsche Spiralgalaxie aussehen. In diesem Komposit aus einer Aufnahme im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums sowie einer Aufnahme im Röntgenbereich mit Hilfe des Chandra-Röntgenteleskops sind zusätzlich die hell leuchtenden Röntgenquellen in der Whirlpool-Galaxie zu erkennen.

Einen möglichen Kandidaten in der Whirlpool-Galaxie wollen Rosanne Di Stefano, Astrophysikerin am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, und ihr Team kürzlich mit Hilfe von Daten des Chandra-Röntgenteleskops ausgemacht haben: M51-ULS-1 b. »Wahrscheinlich wäre er kleiner als Saturn, aber größer als Neptun«, sagt sie. Auch dieser Exoplanet wäre ein wahrer Exot, denn er würde einen Röntgendoppelstern namens M51-ULS-1 umkreisen. Dieser Röntgendoppelstern besteht aus einem extrem dichten Objekt, wahrscheinlich einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch. Sein Sternenpartner »spendet« diesem dichten Objekt Materie. Die dabei stattfindenden Prozesse sind so energiereich, dass das ganze System hell im Röntgenlicht aufleuchtet.

Der planetare Anwärter soll sich durch seinen Transit verraten haben, als die Helligkeit von M51-ULS-1 kurzzeitig ab- und dann wieder zunahm. Daraus errechneten die Forscher und Forscherinnen eine Wahrscheinlichkeitsverteilung seiner Größe sowie seine Geschwindigkeit. Da diese mit 17 Kilometern pro Sekunde in Bezug zur Quelle des Röntgenlichts relativ langsam erscheint – die Erde bringt es um die Sonne immerhin auf rund 30 Kilometer pro Sekunde –, schloss das Team um Di Stefano, dass der hypothetische Planet den Röntgendoppelstern etwa alle 68 Jahre einmal umkreisen sollte.

Das heißt aber auch: Um zu überprüfen, ob es diesen extragalaktischen Planeten wirklich gibt, müsste man mindestens 68 Jahre warten, bis er wieder an der Röntgenquelle vorüberzieht. Und dann noch einmal 68 Jahre, um wirklich ganz sicherzugehen. Und genauso lange gilt der Grundsatz der Wissenschaft: Einmal ist keinmal.

Die Suche nach extragalaktischen Planeten wird wahrscheinlich Jahrzehnte dauern

Der erste extragalaktische Exoplanet ist somit bislang unentdeckt.

Was aber soll diese Suche nach all diesen extragalaktischen Exoten? Exoplaneten um Weiße Zwerge, Exoplaneten um Röntgendoppelsterne, Exoplaneten, die einfach so und ganz allein durch das All fliegen – könnte man nicht einfach nur nach einem ganz normalen Exoplaneten um einen ganz normalen Stern suchen? Schließlich gab es für genau eine derartige Entdeckung in der Milchstraße im Jahr 2019 auch den Nobelpreis für Physik. Schon bevor die Nobelpreisträger Didier Queloz und Michel Mayor 1995 nachweisen konnten, dass es Planeten in den Orbits um andere Sonnen gibt, hatten andere Forschungsgruppen Exoplaneten entdeckt. Nur umkreisten jene Exoplaneten Pulsare, also tote Welten. Das ist natürlich nicht so interessant wie ein Sternsystem, dem man latente Ähnlichkeit mit unserer eigenen Sonne nachsagen könnte.

»Statistisch gesehen konnten wir bereits vor zehn Jahren zeigen, dass jeder Stern in der Milchstraße einen Planeten hat. Aber wir kennen nur rund 5000 davon individuell, denn Exoplaneten zu entdecken, ist immer noch extrem schwierig«, sagt Joachim Wambsganß. Das liegt unter anderem daran, dass sich Exoplaneten üblicherweise nur indirekt über sehr kleine Veränderungen im Licht ihres Zentralgestirns verraten:

»Das Problem ist die gigantische Entfernung. Wenn ein Stern in einer anderen Galaxie eine Million Mal weiter weg von uns ist als ein Stern in der Milchstraße, dann kommen eine Billion weniger Photonen bei uns an«(Joachim Wambsganß, Physiker, Universität Heidelberg)

Aus genau diesem Grund ist Wambsganß skeptisch, was bisherige Verkündigungen von potenziellen Exoplaneten in anderen Galaxien betrifft, und schätzt, es könnte viele Jahrzehnte dauern, bis die Technologie so weit ist, dass man sie wirklich sicher nachweisen kann. Währenddessen wollen Rosanne Di Stefano und ihr Team nach weiteren Indizien suchen. Genug Zeit, um auf einen erneuten Transit eines vielleicht vorhandenen Exoplaneten M51-ULS-1 b zu warten, hat sie zwar nicht. Aber die Galaxien da draußen sind voller Röntgenquellen. Sind dort wirklich Exoplaneten vorhanden, dann müssten sich zumindest bei einigen von ihnen ähnliche Signale finden lassen.

»Bei der Suche nach extragalaktischen Planeten sollte man sich eine ehrliche Frage stellen: Sehen Sie sich doch in unserer Galaxie um. Würden Sie bezweifeln, dass das auch in einer anderen Galaxie so ist?«, sagt Philippe Jetzer. Er nennt den potenziell mangelnden Erkenntnisgewinn als einen Grund, warum die Jagd nach extragalaktischen Planeten eher eine Nische in der astronomischen Forschung ist. So mögen sich Forscherinnen und Forscher zwar uneins sein, ob dieser oder jener Kandidat überhaupt als Kandidat durchgehen sollte: Vielleicht ist der mögliche Transit in der Whirlpool-Galaxie ein Zwergstern. Oder ein Brauner Zwerg. Oder einfach nur ein Signal, das zufällig so aussieht wie ein Transit.

Worüber sich jedoch alle einig sind: dass es sie geben muss, die extragalaktischen Exoplaneten – irgendwo da draußen, jenseits der Milchstraße.

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