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News: Extrasolare Planeten direkt beobachtet

Mehr als 300 extrasolare Planeten sind inzwischen bekannt - allesamt durch indirekte Methoden aufgespürt. Waren Astronomen vor zehn Jahren noch zutiefst gerührt von einem solchen Fund, träumen sie inzwischen längst davon, die fremden Welten direkt vor die Linse zu kriegen. Für einige ging der Wunsch nun endlich in Erfüllung: Verrieselte Bilder zeigen die Trabanten zweier ferner Sonnen.
Fomalhaut b in Staubscheibe
Schnell geht die Fantasie mit den Menschen durch, wenn es um extrasolare Planeten geht: Eine zweite Erde mit üppiger Vegetation, vielleicht in kräftigen Rosatönen, mit bizarren Lebensformen, ja womöglich sogar intelligenten, sind in so manch bunter Illustration schon Realität. Alle bisherigen Ergebnisse ernüchtern jedoch, denn die uns bekannten fernen Welten – meist gewaltige Gasriesen – scheinen alles andere als lebensfreundlich zu sein.

Um die Objekte aufzuspüren, müssen Astronomen den Planeten nicht einmal direkt sehen – allein deren Einfluss auf ihre Sonne reicht aus. Zum Beispiel machen sich einige Trabanten bemerkbar, indem sie kraft ihrer Gravitation periodisch an ihrem Stern zerren. Oder aber, wenn das System günstig liegt, verdunkeln sie von uns aus gesehen für wenige Augenblicke das Leuchten ihres Zentralgestirns minimal, wenn sie davor entlangwandern. Mit diesen Methoden lässt sich schon erstaunlich viel herausfinden: die Architektur des Systems, Umlaufbahnen und -zeiten der Planeten, deren Massen und im Fall der Transitmethode manchmal sogar einiges über ihre Atmosphäre – wie etwa eine unwirtlich hohe Temperatur.

Die Dopplermethode
Die Dopplermethode | Bei der Radialgeschwindigkeitsmethode suchen Astronomen nach einer Dopplerverschiebung der Spektrallinien des Sternlichts, um einen Planeten aufzuspüren. Diese entsteht, wenn die Schwerkraft eines Planeten ein periodisches Wackeln des Sterns verursacht. Das Spektrum gibt so Aufschluss über Masse und Bahnparameter eines im Orbit befindlichen Begleiters. Allerdings funktioniert die Methode nur, wenn wir seitlich auf das Planetensystem blicken.
Allerdings geht diese Taktik nur dann auf, wenn der Planet seinem Mutterstern nicht allzu fern ist und zudem auch reichlich Masse besitzt. Und so träumen Astronomen schon lange davon, sie endlich direkt abzulichten. Ein schwieriges Unterfangen, denn die begehrten Fotomodelle liegen dutzende Lichtjahre von uns entfernt und sind im besten Fall nur hunderttausendmal leuchtschwächer als ihr Stern. Wer von der Erde beobachten will, hat zudem mit Störungen in der Atmosphäre zu kämpfen, die jede noch so schöne Aufnahme verzerren.

Diesen Tücken rücken Sterngucker mit einigen Tricks zu Leibe: Adaptive Optik entzerrt das wabernde Bild auf irdischen Teleskopen, und so genannte Koronografen halten das grelle Sternlicht zurück. Mit diesen Hilfsmitteln ging der lang gehegte Wunsch seit 2004 schon einige Male fast in Erfüllung. Leider nur entsprachen die Zielobjekte nicht ganz der Norm: Entweder ihr Mutterstern war nichts weiter als ein schnöder Brauner Zwerg, oder aber ihre Zugehörigkeit zum System galt nicht einmal als erwiesen.

Umso mehr feiert man nun die Aufnahmen von vier richtigen Planeten in zwei richtigen Planetensystemen – auch wenn beide Zentralgestirne jünger, heißer und massereicher als unsere Sonne sind. Paul Kalas von der University of California in Berkeley und sein Team präsentieren Bilder des Weltraumteleskops Hubble, die einen Trabanten um den 25 Lichtjahre entfernten Stern Fomalhaut im Sternbild Südlicher Fisch zeigen [1]. Dagegen offenbaren die Infrarotbilder von Christian Marois vom Herzberg Institute of Astrophysics in British Columbia, Kanada, und seinen Kollegen gleich drei Gasriesen um den 130 Lichtjahre entfernten Stern HR 8799 im Sternbild Pegasus. Sie hatten das Keck-Observatorium und das Gemini-North-Teleskop in Hawaii bemüht [2].

Aufgeblasenes Sonnensystem?
Aufgeblasenes Sonnensystem? | So könnten die Planeten um den 130 Lichtjahre entfernten Stern HR 8799 im Vergleich zu unserem Sonnensystem angeordnet sein. Ein dem "heimischen" Kuipergürtel ähnlicher Ring soll auch ihn umspannen (in beiden Illustrationen rot eingefärbt). Auf Infrarotbildern ließen sich hier gleich drei Gasriesen auffinden.
Wer nun gestochen scharfe Bilder erwartet, wird enttäuscht sein. Die Freude dreht sich um einige Pixel, die sich von den vielen anderen farblich absetzen. Um sicherzugehen, dass es sich dabei tatsächlich um Planeten handelt, mussten die beiden Teams zunächst deren Masse bestimmen. Und das ist gar nicht so einfach: Da ein Umlauf mehrere hundert Jahre dauert, ist an eine direkte Bestimmung vorerst nicht zu denken. Im Fall der drei heißen Jupiter schlossen die Astronomen um Marois deshalb mit Hilfe von deren Helligkeit auf die Masse.

Dazu leiteten sie aus ihren Daten zunächst die Leuchtkraft in verschiedenen infraroten Frequenzbereichen ab und verglichen sie dann mit theoretischen Entstehungsmodellen solcher Gasriesen. Da diese kurz nach ihrer Entstehung auch selbst noch Wärmestrahlung aussenden und nicht nur die ihres Sterns reflektieren, hängt ihre Masseberechnung empfindlich vom Planetenalter ab. Mit einem geschätzten Wert von 30 bis 160 Millionen Jahren ergibt sich für die drei immerhin eine Masse von weniger als 13 Jupitermassen – vermutlich zwischen sieben und zehn.

Mit Sicherheit ließe sich das genaue Gewicht jedoch erst bestimmen, wenn Langzeitbeobachtungen mit einer höheren Auflösung vorliegen, berichten die Forscher. Braune Zwerge seien aber bereits jetzt auszuschließen. Aus den Bilddaten, die für zwei der drei über vier Jahre reichen, schlossen die Wissenschaftler zudem auf nahezu kreisförmige Umlaufbahnen, die 25 bis 70 Astronomische Einheiten (1AE = Erde-Sonne-Distanz) vom Mutterstern entfernt liegen. Das System um HR 8799 vergleichen die Wissenschaftler auf Grund ähnlicher Proportionen mit einer vergrößerten Version unseres eigenen Sonnensystems.

Fomalhaut und sein Planet
Fomalhaut und sein Planet | Auf diesem optischen Bild des Weltraumteleskops Hubble ist ein Planet zu erkennen, der den 25 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern Fomalhaut entgegen dem Uhrzeigersinn umkreist. Für einen kompletten Orbit benötigt er 870 Jahre. Der Trabant ist 100 Millionen Mal lichtschwächer als sein Stern und befindet sich innerhalb eines ausgedehnten Staubgürtels um den Stern.
Fomalhauts Begleiter zeichnet da ein weitaus weniger stimmiges Bild. So lässt er sich im nahen Infrarot überhaupt nicht beobachten. Bei einem geschätzten Alter von jugendlichen 200 Millionen Jahren sehr ungewöhnlich, da er von seiner turbulenten Geburt noch Hitze in sich tragen und damit hell in diesem Spektralbereich erstrahlen sollte. Die eingefangene optische Strahlung stammt hingegen vorrangig von seinem Mutterstern und wird nur an ihm reflektiert. Auch wenn Fomalhaut b, so der Name des Trabanten, 100 Millionen Mal lichtschwächer als sein Stern ist, wundern sich die Wissenschaftler über seine Helligkeit. Ein großes Ringsystem – viel riesiger als das von Saturn – könnte der Grund sein. Es würde zusätzlich Sternlicht zurückwerfen.

Um seine Masse abzuschätzen, schauten Kalas und seine Kollegen sich die Umgebung des Planeten genauer an. Glücklicherweise zieht dieser seine Kreise in einem ausgedehnten Staubgürtel, und je nach Anziehungskraft sollte er einen kleineren oder größeren Einflussbereich besitzen und seine Bahn mehr oder weniger von Staub und Geröll befreit haben. In der Tat hatte Fomalhaut b auf seiner elliptischen Bahn dem inneren Rand der Staubscheibe eine scharf definierte Kante verliehen. Im Jahr 2005 weckte das überhaupt erst den Verdacht auf einen Planeten in diesem System.

Die theoretischen Modelle über das Wechselspiel von Planet und Staubgürtel spucken, gefüttert mit den Beobachtungsdaten, eine Masse von weniger als drei Jupitern aus. Die Forscher tendieren aber zu einer einzigen. Seine Atmosphäre soll Berechnungen zufolge kälter als 130 Grad Celsius sein und damit vergleichsweise kühl. Von seinem Zentralgestirn befindet er sich in einem Abstand von 120 AE. Aufnahmen von 2004 und 2006 lassen eine Bahn vermuten, die ihn in 872 Jahren einmal um seinen Stern führt.

Zwischen dem Planeten und Fomalhaut wäre also noch genug Raum für weitere Trabanten, berichten die Forscher um Kalas. Und auch das Team um Marois räumt in ihrem System noch Platz ein – sogar für terrestrische Planeten. Sie können es kaum abwarten, mit noch besseren Augen – wie denen des James Webb Space Telescope, das voraussichtlich 2013 starten soll – nachzusehen. (mp)

© spektrumdirekt

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