Gibt es außer der Erde noch andere Planeten, auf denen Leben existiert? Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass...

Das Universum, dieses riesige und geheimnisvolle Reich, hat seit der Antike die unendliche Neugier der Menschen geweckt. Sind wir allein in diesem Sternenmeer? Gibt es außer der Erde noch andere Planeten, auf denen Leben möglich ist? Diese Fragen standen schon immer im Mittelpunkt der Forschung der Astronomen.

Im Jahr 1995 entdeckten zwei Schweizer Astronomen, Michel Mayor und Didier Queloz, mithilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode einen Planeten mit einer Umlaufzeit von 4,2 Tagen um den Stern 51 Pegasi, nämlich 51 Pegasi b. Diese Entdeckung eröffnet nicht nur eine neue Ära der Astronomie, sondern bietet uns auch eine neue Perspektive für die Erforschung der Geheimnisse des Universums. Für diese bahnbrechende Arbeit erhielten sie 2019 den Nobelpreis für Physik und unterstrichen damit die Bedeutung der Exoplanetenforschung.

Didier Queloz (links) und Michel Mayor (rechts)

(Bildquelle: ESO)

Was ist ein Exoplanet

Als Exoplanet bezeichnet man einen Planeten außerhalb des Sonnensystems, im Englischen extrasolar planet oder Exoplanet genannt. Der Begriff „Planet“ umfasst gemäß der Definition der Internationalen Astronomischen Union (IAU) im Jahr 2006 nur das Sonnensystem und gilt somit nicht für Exoplaneten. Allerdings gibt es auch bei der Internationalen Astronomischen Union eine Definition für Exoplaneten, die 2001 herausgegeben und 2003 überarbeitet wurde. Darin heißt es: Als „Planet“ wird ein Himmelskörper bezeichnet, dessen wahre Masse kleiner ist als die für die Deuterium-Kernfusion erforderliche Untergrenze der Masse (bei Himmelskörpern mit ähnlichem Metallreichtum wie der Sonne beträgt diese Masse das 13-Fache der Jupitermasse) und der um einen Stern oder Sternüberrest kreist. Seine untere Masse-/Größengrenze ist dieselbe, die für die Definition der Planeten in unserem Sonnensystem verwendet wird.

Unabhängig davon, wie und wo sie entstehen, werden substellare Objekte, deren tatsächliche Masse die für die Deuterium-Kernfusion erforderliche Untergrenze der Masse überschreitet, als „Braune Zwerge“ bezeichnet. Frei schwebende Objekte in jungen Sternhaufen, deren Masse unterhalb der für die Deuterium-Kernfusion erforderlichen Mindestmassengrenze liegt, werden nicht als „Planeten“, sondern als „Subbraune Zwerge“ (oder mit anderen passenderen Namen) bezeichnet. Tatsächlich zeigt sich jedoch, dass diese Definition angesichts der fortwährenden Entdeckung neuer Exoplaneten auch ihre Grenzen aufweist. Einige Astronomen haben vorgeschlagen, Exoplaneten von Braunen Zwergen und Subbraunen Zwergen anhand ihrer Planetenentstehungsmechanismen zu unterscheiden.

Methoden zur Exoplanetenbeobachtung

Mit dem Fortschritt der Technologie hat der Mensch eine Vielzahl von Mitteln entwickelt, um nach Exoplaneten zu suchen. Hier sind einige der wichtigsten Methoden:

1. Radialgeschwindigkeiten (RV) werden auch Dopplerspektroskopie genannt.

Bei dieser Methode werden Sterne im Spektrum beobachtet, um nach Anzeichen von „Wackeln“ zu suchen. Aufgrund des Einflusses der Exoplaneten auf ihre Muttersterne ziehen diese ihre Muttersterne in verschiedene Richtungen, wenn sie sich in verschiedene Positionen bewegen, was dieses „Wackeln“-Phänomen verursacht.

Im Wesentlichen sucht die Radialgeschwindigkeitsmethode nicht nach Anzeichen von Planeten selbst, sondern nach Anzeichen für die Bewegung von Sternen. Mit der Spektroskopie wird gemessen, wie sich die Spektrallinien eines Sterns durch den Dopplereffekt verschieben, also wie sich das Licht des Sterns in Richtung des Spektrums verändert (Rotverschiebung/Blauverschiebung). Diese Veränderungen deuten darauf hin, dass sich der Stern von der Erde weg (Rotverschiebung) oder auf sie zu (Blauverschiebung) bewegt. Anhand der Geschwindigkeit eines Sterns können Astronomen das Vorhandensein eines Planetensystems feststellen und die Massen der Planeten berechnen. Bevor die Transitmethode weite Verbreitung fand, war sie für den Menschen das wichtigste Mittel zur Erforschung von Exoplaneten.

Prinzip der Radialgeschwindigkeitsmethode

2. Transitphotometrie, auch als Transitmethode oder Finsternismethode bekannt, ist eine Beobachtungsmethode, die Änderungen der Sternhelligkeit während eines Transits analysiert, um auf die Umlaufbahn und die Parameter eines Planeten zu schließen.

Exoplaneten sind normalerweise im Licht ihrer Muttersterne verborgen und können von uns nicht direkt beobachtet werden. Die Transitmethode ist eine indirekte Methode, um auf die Existenz eines Exoplaneten zu schließen. Wenn ein Planet vor der Scheibe seines Muttersterns vorbeizieht (ein Vorgang, der „Transit“ genannt wird), ist eine leichte Abnahme der sichtbaren Helligkeit des Sterns zu beobachten. Das Ausmaß der Verdunkelung des Sterns hängt von der Größe des Planeten im Verhältnis zum Stern ab. Wenn der Mutterstern beispielsweise die Größe der Sonne und der Planet die Größe des Jupiters hat und der Planet den Mutterstern verdeckt, sinkt die Lichtkurve des Sterns von der Erde aus beobachtet um etwa 1 %. Mit anderen Worten entspricht dies einem Helligkeitsabfall von 0,01 Größenordnungen. Handelt es sich um einen terrestrischen Planeten, ist die Amplitude sogar noch kleiner.

Die Transitmethode ist derzeit die am weitesten verbreitete Methode zur Beobachtung von Exoplaneten, hat aber auch ihre Grenzen, da mit der Transitmethode nur der Radius eines Planeten bestimmt werden kann, nicht jedoch seine Masse. Bei den mit der Transitmethode entdeckten Kandidatenobjekten muss zur Bestätigung ihrer Masse noch die Radialgeschwindigkeitsmethode verwendet werden.

Prinzip der Transitmethode

3. Direktabbildung wird auch als Direktabbildungsverfahren bezeichnet. Wie der Name schon sagt, geht es darum, Exoplaneten direkt abzubilden. Da die Planeten jedoch zu wenige Photonen reflektieren und von Sternen verdeckt sind, ist es sehr schwierig, Bilder von Planeten direkt aufzunehmen. Dies erfordert, dass der Planet selbst groß genug ist und sich nicht zu nahe an seinem Mutterstern befindet, sodass er nicht von dessen Licht verdeckt wird. Noch wichtiger ist, dass hierfür ein ausreichend leistungsstarkes Teleskop mit Koronographen erforderlich ist.

Exoplanet HIP 65426b, aufgenommen von den Instrumenten NIRCam und MIRI auf dem JWST

Bildnachweis: NASA

4. Gravitationsmikrolinseneffekt ist eine Methode zur Erkennung von Exoplaneten durch Messung von Änderungen der Sternhelligkeit.

Gravitationslinsen sind ein optischer Effekt, der in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Da die Raumzeit in der Nähe massiver Objekte verzerrt ist, wird das Licht beim Vorbeiflug an diesen Objekten gekrümmt. Befindet sich auf der geraden Linie vom Beobachter zur Lichtquelle ein massereicher Himmelskörper, sieht der Beobachter aufgrund der Lichtbrechung ein oder mehrere Bilder. Dieses Phänomen wird Gravitationslinseneffekt genannt. Wenn die Masse des Vordergrundobjekts gering ist und auch die Lichtablenkung gering ist, sind die erzeugten Mehrfachbilder schwer zu unterscheiden und der visuelle Effekt besteht darin, dass die Helligkeit der Hintergrundsterne deutlich erhöht wird. Wenn ein Vordergrundstern, der einen Exoplaneten trägt, zufällig einen Hintergrundstern passiert, erhöht sich die Leuchtkraft des Hintergrundsterns, wodurch ein Peak in der Lichtkurve entsteht. Die Masse eines Exoplaneten ist kleiner als die des Vordergrundsterns, daher ist auch der von ihm erzeugte Peak kleiner, aber wir können trotzdem beobachten, dass einer bestimmten Position der ursprünglichen Lichtkurve ein kleinerer Peak überlagert ist. Wir können die Existenz eines Exoplaneten durch den sekundären Peak feststellen, der durch die Lichtkurve erzeugt wird.

Prinzip der Mikrolinsen

Neben den oben genannten Mainstream-Methoden gibt es auch viele andere Methoden wie Astrometrie, Transitzeitvariationsmethode, Helligkeitsmodulationsmethode usw. Diese Methoden wurden jedoch nur sporadisch entdeckt und sind zahlenmäßig gering.

Radius-Perioden-Verteilung und Masse-Perioden-Verteilung entdeckter Exoplaneten

Statistik entdeckter Exoplaneten

Bis zum 2. September 2024 gibt es insgesamt 7.323 bestätigte Exoplaneten, von denen 4.456 mit der Transitmethode entdeckt wurden. Darüber hinaus wurden 1.273 Planeten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode, 1.051 durch direkte Abbildung und 308 durch Mikrolinseneffekt entdeckt. (Datenquelle: Enzyklopädie der Extrasolarplaneten http://exoplanet.eu/)

Die Bedeutung und Aussichten von Exoplaneten

Die Erforschung von Exoplaneten hat einen wichtigen wissenschaftlichen Wert. Es liefert uns nicht nur wertvolle Daten zum Verständnis des Entstehungsmechanismus von Planetensystemen, sondern bietet auch ein Vergleichsobjekt für das Sonnensystem. Die Entdeckung erdähnlicher Planeten, insbesondere jener innerhalb der bewohnbaren Zone ihrer Sterne, erhöht unsere Chancen, Leben außerhalb der Erde zu entdecken, erheblich.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie, insbesondere durch die Einführung von Teleskopen der neuen Generation wie dem James Webb Space Telescope (JWST), werden wir in der Lage sein, die Atmosphären von Exoplaneten eingehender zu untersuchen und vielleicht sogar direkt Lebenszeichen zu beobachten.

Darüber hinaus haben die Entdeckung und Erforschung von Exoplaneten die Neugier der Öffentlichkeit auf das Universum enorm gesteigert und die Entwicklung der wissenschaftlichen Bildung gefördert. Die Erforschung von Exoplaneten ist ein spannendes Gebiet, das nicht nur die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie fördert, sondern die Menschen auch dazu anregt, intensiv über die Möglichkeit der Existenz von Leben nachzudenken. Da die Beobachtungsmethoden immer weiter fortschreiten, freuen wir uns darauf, in Zukunft weitere Geheimnisse über Exoplaneten zu lüften und letztendlich die uralte Frage zu beantworten: Sind wir allein im riesigen Universum?