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Astrophysik: Exoplaneten auf die billige Tour

Die Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems wird stets ihren Preis haben. Aber kreative Lösungen zeigen, dass man sich nicht länger dafür finanziell ruinieren muss.
Künstlerische Darstellung von HD 189733 mit seinem PlanetenLaden...
Astronomen, die nach Planeten rund um ferne Sternen suchen, durften im vergangenen Jahrzehnt viel feiern: Die Anzahl der bestätigten "Exoplaneten" stieg in dieser Zeit von 50 auf über 500. Keiner davon gleicht wirklich unserer Erde. Doch das 2009 gestartete Weltraumteleskop Kepler der NASA lieferte nun Hunderte von Kandidaten – und einige davon könnten sich tatsächlich als sehr erdähnlich erweisen.

Bislang hatten die beteiligten Forscher also unglaublich viel Erfolg – doch ihr Wunsch einer Milliarden Dollar teuren Nachfolgemission für Kepler wurde noch nicht erfüllt. Die Hoffnungen auf ein ambitioniertes Raumfahrzeug wie den Terrestrial Planet Finder haben sich zerschlagen, da die NASA einige Missionen wegen des stagnierenden Wirtschaftswachstums, tiefer Einschnitte in den Etats der Weltraumforschung und Problemen mit dem James Webb Space Telescope (JWST) gestrichen oder verschoben hat.

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Sieben Exoplaneten bei HD 10180
Die Gemeinschaft der Planetenjäger reagierte darauf mit Kreativität – die Astronomen ersannen Alternativen, um die wissenschaftliche Ausbeute zu maximieren und zugleich die Kosten zu minimieren. Eine von der NASA und der US National Science Foundation gemeinsam eingerichtete Arbeitsgruppe namens Exoplanet Task Force veröffentlichte 2008 einen Bericht, der eine neue Strategie bei der Erforschung dieser Himmelskörper unterstützt. Statt auf den Start eines teuren spezialisierten Raumfahrzeugs zu warten, sollen billigere Verfahren von der Erde aus Planeten bei nahen Sternen entdecken: Diese nahen Sterne erscheinen heller als weit entfernte und lassen sich daher leichter untersuchen. Solche kostengünstigen Projekte könnten zumindest einige Welten aufspüren, die dann Weltraumteleskope wie JWST untersuchen, hofft man. Mit Hilfe seiner Instrumenten erkunden die Astronomen die Atmosphären der Exoplaneten spektroskopisch auf Gase wie Kohlendioxid, Wasserdampf, vielleicht sogar Methan, Sauerstoff und andere Spurengase, die ein Indiz für das Vorhandensein von Leben sein könnten. "Die Planeten existieren, und wir können relativ günstig nach ihnen zu suchen", sagt Greg Laughlin, Astrophysiker an der University of California in Santa Cruz und Mitglied der Task Force. "Dieses Vorgehen ist ökonomisch unvermeidlich."

Die Transit-Durchmusterungen

Unter den vielen Suchideen der Wissenschaftler stechen fünf heraus. Die Transit-Durchmusterungen bei M-Zwergen (Kostenpunkt: zwei Millionen US-Dollar) konzentrieren sich auf kühle, rote M-Zwerge – die häufigsten Sterne in der Milchstraße. Mit einer Masse von weniger als einer halben Sonnenmasse sind sie aber erheblich kleiner und leuchtschwächer als unser Zentralgestirn. Deshalb würde ein Planet, der vor einem solchen Stern vorüberzieht, einen größeren Teil davon abdecken als bei einem umfangreicheren Exemplar. Ein solcher "Transit" wäre also entsprechend leichter nachzuweisen. Die Größe des vorüberziehenden Planetenausschnitts ermöglicht es zudem, das durch dessen Atmosphäre gefilterte Licht für eine spektrale Analyse zu sammeln.

Das erste, sehr erfolgreiche Projekt zur Suche nach potenziell bewohnbaren Planeten bei M-Zwergen ist MEarth, ein Verbund von acht Roboterteleskopen am Whipple Observatorium auf dem Mount Hopkins in Arizona. Im Gegensatz zu allen früheren Transit-Durchmusterungen, die jeweils eine feste, sternenreiche Himmelsregion überwachen, beobachtet MEarth gleichzeitig 2000 nahe Sterne. Nur wenn einer davon Anzeichen eines Transits zeigt, beobachten alle Teleskope das Objekt gemeinsam. Das Projekt wurde von Philip Nutzman von der University of California in Santa Cruz entwickelt, David Charbonneau von der Harvard University in Cambridge leitet es jetzt. 2009 konnte das MEarth-Team die Entdeckung seines ersten Transit-Planeten bekannt geben: GJ 1214b – und das schon in den ersten sechs Monaten des auf drei Jahre angelegten Projekts. Der Planet ist wohl zu groß und zu heiß, um Leben zu beherbergen, aber unter den bekannten erdähnlichen Himmelskörpern lässt er sich momentan am einfachsten untersuchen. Eine im vergangenen Jahr von der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile durchgeführte spektroskopische Untersuchung von GJ 1214b zeigt, dass die Hochatmosphäre des Planeten entweder sehr trüb ist oder aus Wasserdampf besteht.

"MEarth zeigt, dass man mit einer relativ überschaubaren Investition von einer Million US-Dollar ebenso von der Erde aus in der Lage ist, Super-Erden in der bewohnbaren Zone von Sternen aufzuspüren", sagt Charbonneau. Diese felsigen Planeten sind größer als unsere Heimat, umkreisen aber ihren jeweiligen Stern in einem Abstand, der die Existenz von flüssigem Wasser auf ihrer Oberfläche erlaubt. Bis Oktober 2011 wollen Charbonneau und seine Kollegen eine Kopie von MEarth in Chile in Betrieb nehmen, um auch jene Himmelsregionen abzusuchen, die von Arizona aus nicht sichtbar sind. Weitere M-Zwerg-Transit-Suchprogramme laufen unter anderem in Chile auf dem Berg La Silla oder am Palomar-Observatorium in Kalifornien.

Die Nahinfrarotspektrometrie

Um mehr über die so aufgespürten Planeten zu lernen, benötigt man den Einsatz weiterer Beobachtungstechniken wie etwa der Nahinfrarotspektrometrie (Kostenpunkt: fünf Millionen US-Dollar). Besonders bedeutend ist hierfür die Radialgeschwindigkeitsmethode – ein ebenfalls sehr erfolgreiches Verfahren der Planetenjäger: Ein Planet zieht mit seiner Schwerkraft seinen Zentralstern hin und her, was zu periodischen Verschiebungen in den Wellenlängen des vom Stern abgestrahlten Lichts führt. Ihre Messung ermöglicht nicht nur eine unabhängige Bestätigung, ob Planeten existieren, sondern auch eine Abschätzung ihrer Masse.

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Kepler | Das 600 Millionen Dollar teure Weltraumteleskop blickt seit März 2009 stets auf dieselbe Himmelsregion im Sternbild Schwan. Dabei erfasst es bis zu 100 000 Sterne gleichzeitig und misst kontinuierlich ihre individuellen Helligkeiten. Feine Schwankungen im Sternlicht könnten auf einen extrasolaren Planeten hindeuten. Der NASA-Satellit wird allerdings nicht nur der Suche nach Exoplaneten dienen, sondern erkundet auch die Sterne selbst.
Die Methode liefert zudem einen weiteren guten Grund, sich auf M-Zwerge zu konzentrieren. Die Bewegung der Erde um die Sonne verändert periodisch die Radialbewegung unseres Zentralgestirns von einigen zehn Zentimetern pro Sekunde im Verlauf eines Jahres – schwierig zu entdecken für außerirdische Astronomen. Wenn aber ein Planet von der Größe unserer Erde einen M-Zwerg in der bewohnbaren Zone umkreist, die wiederum wesentlich näher an dem kleineren Stern liegt, beträgt die Schwankung der Radialgeschwindigkeit etwa einen Meter pro Sekunde: Sie wäre folglich wesentlich leichter nachzuweisen. Unglücklicherweise leuchten M-Zwerge jedoch am hellsten im Infrarotbereich. Die Planetenjäger müssen also in diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums beobachten – doch noch gibt es keinen Spektrometer, der im Infrarotbereich genau genug messen könnte. Deshalb wurden bislang nur eine Handvoll der unzähligen M-Zwerge in unserer Nachbarschaft entsprechend unter die Lupe genommen.

Außerdem sind Spektrometer für den Nahinfrarotbereich aus physikalischen Gründen teurer als ihre optischen Gegenstücke: Infrarot-Photonen besitzen nicht genug Energie, um leicht Elektronen in einem Standardsiliziumdetektor anzuregen. Stattdessen müssen teure, exotische Materialien wie beispielsweise Indium-Gallium-Arsenid oder Blei-Kadmium-Tellurid verwendet werden. Außerdem müssen die Detektoren entweder mit Eis gekühlt oder thermisch gegen infrarote Störstrahlung isoliert werden. Das technisch fortschrittlichste Nahinfrarotspektrometer ist CRIRES, der "Cryogenic High-resolution Infrared Echelle Spectrograph" der ESO, dessen Bau etwa zehn Millionen Euro gekostet hat. Doch die Preise fallen, und eine Reihe wichtiger Spektrometer könnte in den kommenden Jahren ihr Debüt erleben, wenn alles gut geht – darunter ein deutsch-spanisches Instrument, das am Calar Alto-Observatorium in Spanien installiert werden soll.

Der Laser-Frequenzkamm

Eine andere Hürde auf der Suche nach Planeten bei M-Zwergen ist schwieriger zu überwinden: Man benötigt bessere Verfahren, um die Spektrometer zu kalibrieren. Winzige Verschiebungen der Spektrallinien, wie sie ein Planet beim Umlauf um seinen Stern verursacht, können allzu leicht durch Stabilitätsschwankungen des Instruments selbst vorgetäuscht werden. Lösen ließe sich dies mit einem Referenzspektrum, mit dem man die Beobachtungen dann vergleicht. Doch die Spektren, die man üblicherweise für diese Kalibrierung einsetzt (Spektren des Elements Jod oder eines Gemischs aus Thorium und Argon), erzeugen keine dafür verwendbaren Linien im Infrarot.

Die Wissenschaftler prüfen deshalb eine Reihe anderer Elemente und Mischungen, ob sie sich für die Eichung eignen. Außerdem richten sie ihre Hoffnungen noch auf eine weitere extrem präzise Technik, die so genannten Laser-Frequenzkämme (Kostenpunkt: 100 000 US-Dollar): Laser, die eine rasche Folge von Pulsen aussendeen, deren Wellenlänge sich über einen weiten Bereich einstellen lässt. Die Frequenzen einer Pulsserie – die Forscher sprechen von einem "pulse train" – zeigen eine gleichmäßige Reihe von Maxima, die den Zähnen eines Kamms ähneln. Wenn man diese Pulse durch ein Spektrometer schickt und sie dabei mit dem Ticken einer Atomuhr synchronisiert, erhält man ein extrem genaues Werkzeug für die Kalibrierung spektrometrischer Messungen.

Viele Sternwarten testen derzeit Frequenzkämme an ihren Spektrometern, wie nun beispielsweise am Whipple-Observatorium. Damit konnten die Forscher ihre Messungen am Doppelstern HD 189733 kalibrieren, der einen bereits bekannten und bestätigten Planeten besitzt. Und im Dezember 2010 erfassten Astronomen mit einem Frequenzkamm des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching durch einen Exoplaneten verursachte Variationen der Radialgeschwindigkeit eines Sterns, die erstmalig genauer waren als die zuvor besten Messungen mit einer Thorium-Argon-Kalibrierung.

Die Radialgeschwindigkeits-Teleskope

Aber selbst wenn die Planetenjäger mit Frequenzkämmen bewaffnet sind – die Sterne spielen ihnen bisweilen doch einen Streich: Bewegungen der Sternoberfläche können ein Radialgeschwindigkeitssignal vortäuschen. "Ein Stern schwingt wie eine Glocke mit Millionen von harmonischen Oszillationsmoden, die die Oberfläche bedecken. Es ähnelt ein wenig den seltsamen Mustern, die Sand auf dem vibrierende Fell einer Trommel streuen", sagt der Astronom Steven Vogt von der University of California in Santa Cruz. "Einige dieser Moden mitteln sich über die Oberfläche des Sterns nicht heraus, sie liefern uns Oszillationen, die als Störungen in unseren Beobachtungen auftauchen."

Ein erdähnlicher GesteinsplanetLaden...
Ein erdähnlicher Gesteinsplanet | Künstlerische Darstellung eines Exoplaneten. Das von der NASA gestartete Weltraumteleskop Kepler wurde gebaut, um solche Exoplaneten mit Massen von wenigen Erdmassen in den habitablen Zonen von Sternen nachzuweisen.
Um diese Störungen zu beseitigen, hat sich die Methode etabliert, mehrere Aufnahmen mit Belichtungszeiten von jeweils 10 bis 15 Minuten zu mitteln, die in aufeinander folgenden Nächten oder im Verlauf mehrerer Wochen gewonnen wurden. Dieses Verfahren funktioniert, sagt Stéphane Udry, Astronom der Universität Genf: "Wir haben eine kleine Auswahl von zehn nahen Sternen auf diese Weise verfolgt und bereits bei drei von ihnen Planeten gefunden. Wir benötigen jedoch viele Beobachtungen, weil es unwahrscheinlich ist, dass die Sterne nur einen Planeten besitzen. Wir müssen also alle möglichen Perioden für ein Mehrplanetensystem abdecken, und das braucht Zeit. Wenn man versucht, die Messungen genauer zu machen, wird es schnell teurer."

So teuer, dass Vogt empfiehlt, die langfristigen Kosten kurzfristig durch den Bau spezieller Observatorien für die Messung von Radialgeschwindigkeiten (Kostenpunkt: 50 Millionen US-Dollar) zu senken. "Die Währung in diesem Bereich sind Beobachtungsnächte", sagt er. "Es ist keine neue Technik. Es sind nicht Laser-Frequenzkämme oder neumodische Nahinfrarotspektrometer, die die Vorteile von M-Zwergen nutzen. Nehmen wir also 50 Millionen Dollar – Kleingeld für die NASA –, und bauen damit ein Teleskop mit sechs bis acht Meter Öffnung, das genug Licht sammeln kann, um einen großen Teil der nahen M-Zwerge zu erreichen. An dieses Teleskop hängen wir ein gutes Spektrometer und widmen es jede Nacht des Jahres dieser Arbeit. Die Planeten würden nur so aus dem Himmel purzeln."

Vogt und seine Kollegen haben, um die Umsetzbarkeit ihrer Vorstellungen zu demonstrieren, am Lick Observatorium auf dem Mount Hamilton den Automated Planet Finder (APF) gebaut und es mit einem hoch effizienten Spektrometer ausgestattet. Das APF dient, so Vogt, "ausschließlich der Suche nach felsigen Planeten mit kurzen Umlaufzeiten" um nahe Sterne, darunter die hellsten M-Zwerge des Himmels. Das Projekt befindet sich gegenwärtig in seiner finalen Installationsphase und soll im Februar 2011 in Betrieb gehen. Vogt erwartet, dass das APF rasch einen ganzen Schwarm kleiner, felsiger Planeten entdeckt.

Die Exoplanet-Sats

Eine der wichtigsten Rollen der Radialgeschwindigkeitsmessungen könnte zukünftig die Bestätigung und Untersuchung von Planeten sein, die mit dem Transit-Verfahren aufgespürt wurden. "Die Suche nach Transits ist die zweckmäßigste Technik, die uns Zugang zu erdähnlichen Planeten in den bewohnbaren Zonen von Sternen verschaffen kann", sagt Udry: "Diese Methode ist nicht zu schlagen."

Die Astronomen sammeln zudem bereits Ideen für eine Kepler-Nachfolgemission, die Transit-Durchmusterungen naher Sterne durchführen könnte, um dort nach potenziell lebensfreundlichen Welten zu suchen. Das von der Astronomin Sara Seager vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und ihrem Team vorgeschlagene ExoplanetSat-Programm scheint zum Beispiel eine sehr viel billigere Alternative zu sein. Sie wollen auf dem bereits existierenden Rahmen der "CubeSats" aufzubauen: Mini-Satelliten, die aus einer wechselnden Anzahl von zehn Zentimeter großen Würfeln, den "Cubes" bestehen. Sie wurden entwickelt, um als kleine zusätzliche Nutzlast kostengünstig mitzufliegen, wenn Raketen große Raumfahrzeuge ins All bringen. Seagers Plan sieht eine ganze Flotte aus Dutzenden von CubeSats vor, von denen jeder mit einem kleinen Teleskop sowie Leitsensoren ausgestattet ist und einen bestimmten Stern beobachten soll. Vom Weltall aus, außerhalb der störenden Erdatmosphäre, könnte ein solcher "ExoplanetSat" Umläufe erdgroßer Planeten in der bewohnbaren Zone naher sonnenähnlicher Sterne nachweisen.

Seager gibt zu, dass der Bau solcher Mini-Satelliten mit der nötigen Stabilität und thermischen Kontrolle eine Herausforderung ist. Doch die Forscherin und ihr Team hoffen, schon 2012 einen funktionierenden Prototyp starten zu können. Weitere ExoplanetSats könnten dann für gerade einmal 250 000 US-Dollar pro Stück folgen – ein echter Schnäppchen-Preis für eine Weltraummission. "Einerseits mag das riskant erscheinen, weil die Wahrscheinlichkeit, einen erdgroßen Planeten in der bewohnbaren Zone eines nahen Sterns zu finden, derzeit auf 1 zu 200 geschätzt wird", gesteht Seager. "Andererseits sind diese Satelliten modular aufgebaut und relativ billig, der Start eines solchen Satelliten ist ohne großes Risiko und besitzt das Potenzial auf einen großen wissenschaftlichen Gewinn – eine Art 'MEarth am Himmel'."
6. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 6. KW 2011

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