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Exoplaneten: Premierenfund im Musenross

Von Christian Pinter

Reflexionen
So sieht es - vielleicht - auf dem Exoplaneten Kepler 1649c aus.
© Nasa/Ames Research Center/Daniel Rutter

Vor 25 Jahren wurde der erste Planet im Orbit um eine andere Sonne entdeckt. Viele weitere Exoplaneten sind seither hinzugekommen: Wären sie auch bewohnbar?


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Schon der Philosoph Giordano Bruno war Ende des 16. Jahrhunderts überzeugt: Nicht nur unsere Sonne, auch andere Sterne besitzen Planeten. 400 Jahre später hielt kaum ein Astronom unser Planetensystem noch für einen Einzelfall. Doch der Nachweis solcher Exoplaneten misslang immer wieder.

Am 6. Oktober 1995, während einer Konferenz in Florenz, vermeldete dann ausgerechnet ein Schweizer Team den Durchbruch: Michel Mayor und Didier Queloz hatten einen Planeten im Orbit um den gerade noch mit freiem Auge sichtbaren Stern 51 Pegasi aufgestöbert. Man findet diese 50 Lichtjahre entfernte Sonne im Herbststernbild Pegasus: Es repräsentiert das geflügelte Musenross der griechischen Mythologie. 51 Pegasi erhielt später den Namen "Helvetios", in Anspielung auf die Herkunft der Astronomen. Sein Planet 51 Pegasi b besitzt rund die halbe Masse unseres riesigen Gasplaneten Jupiter. Er wurde schließlich "Dimidium" (lateinisch "Hälfte") getauft.

Christian Doppler war den Entdeckern zur Seite gestanden. Zieht eine Signalquelle auf uns zu oder von uns weg, so postulierte der Salzburger 1842, nehmen wir das Signal mit erhöhter bzw. verringerter Frequenz wahr. In der Astronomie verschiebt dieser Doppler-Effekt die dunklen Linien im Spektrum gegen Blau oder Rot, sobald sich ein Stern radial auf uns zu- bzw. von uns fortbewegt.

Mayor und Queloz arbeiteten mit einem fein auflösenden Spektrographen am 1,9-Meter-Teleskop des Haute-Provence Observatoriums in Südostfrankreich. Sie sahen die Spektrallinien des Sterns Pegasi 51 tatsächlich periodisch hin- und herziehen.

Tanz mit der Sonne

Genau genommen kreist ein Planet nicht einfach um seinen Stern. Vielmehr führen beide einen Tanz um den gemeinsamen Schwerpunkt aus. Da Sonnen viel mehr Masse besitzen als Planeten, liegt dieses sogenannte "Baryzentrum" sehr nahe beim oder sogar innerhalb des Sterns. Der wackelt während des Planetenumlaufs um diesen Punkt herum: Das Vor und Zurück des Sterns bewirkt ein Hin und Her seiner Spektrallinien. Das Spiel wiederholt sich bei Helvetios in nicht einmal 102 Stunden. Es zeigt die extrem kurze Umlaufszeit des Planeten Dimidium an. Ein Jahr dauert dort bloß 4,2 Erdentage!

Gemeinsam mit dem Kosmologen James Peebles erhielten die beiden Schweizer 2019 den Nobelpreis für Physik, und zwar für die erste Entdeckung eines Planeten bei einem sonnenähnlichen Stern. Denn tatsächlich hatten schon am 9. Jänner 1992 Aleksander Wolszczan (Polen) und Dale Frail (Kanada) vom Fund planetarer Welten berichtet. Die kreisten allerdings nicht um eine intakte Sonne, sondern um den Pulsar PSR B1257+12: Die 1,4 Sonnenmassen umfassende, ultradichte Sternleiche blieb nach der Explosion einer Supernova vor Milliarden Jahren zurück. Sie ist 10 Kilometer klein und jagt 161 Mal pro Sekunde um ihre Achse. Im gleichen Rhythmus trifft gepulste Radiostrahlung bei uns ein.

Wie Wolszczan und Frail herausfanden, geschieht dies abwechselnd in etwas rascherer, dann in kürzerer Folge. Der Doppler-Effekt verriet auch hier ein Vor- und Zurückwackeln, verursacht von gleich drei Planeten. Diese sollten während der Supernova-Explosion von todbringender Strahlung heimgesucht und ihrer Atmosphären beraubt worden sein. Man taufte sie mittlerweile "Draugr", "Poltergeist" und "Phobetor". Die herumwirbelnde Sternleiche erhielt den Namen "Lich" - nach einer fiktionalen untoten Figur, wie sie auch im Rollenspiel Dungeons & Dragons auftaucht.

Erst wenige Millionen Jahre alt ist der Exoplanet HIP 67522 b, ein "Heißer Jupiter".
© Nasa/JPL-Caltech/R. Hurt

Die drei öden Welten im Sternbild Jungfrau fanden wenig Beachtung. Anders der Schweizer Planet drei Jahre später. Dimidiums Orbit ist allerdings 19 Mal enger als die Erdbahn. Der allzu nahe Stern heizt die Riesenwelt auf 1.000 Grad Celsius auf. Einen solchen "Heißen Jupiter" gibt es in unserem Sonnensystem nicht. Später fand man weitere Planeten dieses Typs. KELT-9b ist mit 4.300 Grad Celsius sogar heißer als die meisten Sterne!

Winzige Verdunkelung

Von den heute 4.300 bekannten Exoplaneten wurde fast jeder fünfte mit Christian Dopplers Hilfe aufgestöbert. Gut drei Viertel verrieten sich hingegen während eines Transits. Hier zieht eine planetare Welt aus unserer Perspektive regelmäßig vor ihrem Stern vorbei und "verfinstert" ihn dabei ein ganz klein wenig. 1999 fiel ein solch geringfügiger, aber charakteristischer Lichteinbruch erstmals beim Pegasus-Stern HD 209458 auf: Der büßt alle dreieinhalb Tage 1,6 Prozent seiner Helligkeit ein.

Die Zeit zwischen den subtilen Lichteinbrüchen verrät die Umlaufszeit des Exoplaneten. Deren Tiefe gibt seine Größe und somit sein Volumen preis. Der Doppler-Effekt steuert hier eine sichere Planetenmasse bei. Teilt man die Masse durchs Volumen, ergibt sich die mittlere Dichte. Ist sie niedrig, hat man es mit einem Gasplaneten zu tun. Ist sie hoch, besteht die ferne Welt offensichtlich aus Gestein.

Während des Transits müht sich ein äußerst geringer Teil des Sternenlichts durch eine eventuell vorhandene Planetenatmosphäre. Im Sternspektrum tauchen dann zusätzliche dunkle Linien auf, die von der Zusammensetzung der fremden "Lufthülle" erzählen: 2007 verkündete man erstmals die Entdeckung von Wasserdampf beim Exoplaneten HD 209458b. Auch er gehört zur Gattung "Heißer Jupiter". Bei der Transitmethode sind Weltraumteleskope klar im Vorteil. Denn im All funkeln Sterne nicht. So konnte allein der Nasa-Satellit "Kepler" zwischen 2010 und 2018 rund 2.700 Exoplaneten aufstöbern.

Der Merkur-Transit am 9. Mai 2016 "verfinsterte" die Sonne aus irdischer Perspektive rechnerisch um 0,04 Promille. Das Weltraumteleskop Kepler maß bei Exoplaneten-Transits ähnlich präzise. 
© Pinter

Bei etwa jedem 50. Planetenfund assistiert Albert Einstein. Er beschrieb in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, wie Massen die Raumzeit krümmen. Vorbeiziehende Sonnen oder Planeten lenken das Licht von weit dahinterliegenden, unbeteiligten Sternen ab; sie bündeln es vorübergehend wie eine Linse.

Im Sommer 2003 stieß man erstmals mit diesem Mikrolinseneffekt auf einen 19.000 Lichtjahre entfernten Exoplaneten im Sternbild Schütze. 2017 bemerkte der japanische Amateurastronom Tadashi Kojima, wie ein überaus schwaches Sternchen im Stier dreimal, dann achtmal so hell aufleuchtete. Ursache war ein Neptun-großer Exoplanet, mittlerweile "Kojima-1Lb" benannt. Profis hatten zuvor Körper entdeckt, die offenbar völlig frei, also ohne eine Sonne zu umrunden, durchs dunkle All ziehen. Wahrscheinlich wurden diese Einzelgänger einst aus jungen Sonnensystemen fortgeschleudert.

Fotos ferner Welten

Fast alle bekannten Exoplaneten gingen mit einer der drei genannten, indirekten Methoden ins Netz. 2008 gelang es aber, drei Exoplaneten im Orbit um den Pegasus-Stern HR 8799 tatsächlich zu fotografieren - mit Riesenteleskopen auf Hawaii und im infraroten Licht. Beim diesem direct imaging sucht man Glühwürmchen neben Scheinwerfern. Denn Planeten sind ja um Dimensionen lichtschwächer als ihre Sterne. Gelingt das technisch herausfordernde Unterfangen, lässt sich das isolierte Licht einem Spektrographen zuführen - was wiederum die Analyse der Planetenatmosphäre erlaubt.

Exoplaneten sind vermutlich ähnlich zahlreich wie Sonnen, und etliche Sterne besitzen gleich mehrere davon: Kepler-90 im Sternbild Drache wird, wie unsere eigene Sonne auch, sogar von acht Planeten umrundet. In unserem Sonnensystem gibt es keine Welt, die mehr als eine Erdmasse, aber weniger als 14,5 (Uranus) bzw. 17 Erdmassen (Neptun) umfasst. Beide Planeten besitzen den vierfachen Erddurchmesser. Anderswo existieren sehr wohl Welten im Bereich zwischen der Erd- und der Neptunmasse: Super-Erden und Mini-Neptune. Die größeren raffen viel Gas an sich, kleiden sich in eine sehr dichte Hülle aus Wasserstoff und Helium.

Die kleineren mit weniger als dem eineinhalb- oder zweifachem Erddurchmesser sollten hingegen Gesteinsplaneten mit fester Oberfläche sein. Sie werden "terrestrische Planeten" genannt (nach lateinisch terra, Erde). Die Bezeichnung "erdähnlich" weckt falsche Vorstellungen: Denn in unserem Sonnensystem fallen auch der atmosphärelose Merkur, die höllisch heiße Venus und der kalte Mars in diese Kategorie. Die Erde kreist außerdem in der habitablen oder bewohnbaren Zone unserer Sonne: In diesem Sternabstand kann flüssiges Wasser an der Oberfläche eines Planeten existieren - sofern er eine Atmosphäre mit passender Dichte und Zusammensetzung besitzt. Von den sieben terrestrischen Planeten des Sterns Trappist-1 im Wassermann finden sich gleich drei in diesem günstigen Temperaturbereich.

Keine zweite Erde

Seit man 2011 einen Gesteinsplaneten in der bewohnbaren Zone des Sterns HD 85512 identifizierte, verkündeten Medien fast jedes Jahr die Entdeckung einer "zweiten Erde" oder eines "Spiegelbilds der Erde" - heuer zum Beispiel im Fall des Exoplaneten Kepler-1649c. Angesichts unseres begrenzten Wissens über die Zustände auf diesen Welten ist das Traumtänzerei.

HD 85512 und Trappist-1 zählen zu den roten Zwergsternen. Diese massenarmen, relativ kühlen Gnome stellen rund drei Viertel aller Sonnen. Die theoretisch bewohnbare Zone liegt dort äußerst nah am Stern. Kein Idyll: Ein darin kreisender Planet bekäme sehr viel UV- und Röntgenstrahlung ab. Seine Atmosphäre könnte leicht ionisiert und weggerissen werden. Die meisten Roten Zwerge zeigen heftige Strahlungsausbrüche. Gezeitenkräfte binden überdies die Rotation eines nahen Planeten. Der hält dem furiosen Stern dann stets dieselbe Hemisphäre hin. Die abgewandte Seite wird stattdessen von ewiger Nacht, Finsternis und Kälte heimgesucht.

2019 feierte die Internationale Astronomische Union den 100. Geburtstag. Aus diesem Anlass durften Internetnutzer aus 112 Nationen Vorschläge einbringen. Sie sollten die prosaischen Katalogbezeichnungen von Sternen und Exoplaneten mit klangvolleren Namen ergänzen. In vielen Ländern siegten Begriffe aus der Mythologie. Die Niederlande entschieden sich für Gemäldenamen von van Gogh und Rembrandt - "Sterrennacht" und "Nachtwacht". Die Schweizer wählten "Mönch" und "Eiger". In Österreich fiel die Wahl auf zwei Figuren aus einem 1955 gedrehten Marischka-Film: Der Stern HAT-P-14 im Sternbild Herkules heißt seither "Franz", sein Planet "Sissi".

Christian Pinter, geb. 1959 in Wien, schreibt seit 1991 im "extra" über Astronomie und Raumfahrt.
Internet: www.himmelszelt.at