Wie messen wir das Alter von Sternen und Planeten?

Das Hubble Extreme Deep Field, aufgenommen von Astronomen mit dem Hubble-Teleskop im Jahr 2014. (Bildquelle: NASA, ESA)

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Dieser Artikel wurde in der Monographie und ausführlichen Analyse des Raums veröffentlicht.

Adam Burgasser ist Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California, San Diego, und ein beobachtender Astrophysiker, der die kühlsten Sterne, Braunen Zwerge und Exoplaneten untersucht.

Durch die Bestimmung des Alters von Planeten können Wissenschaftler besser verstehen, wann sie entstanden sind und wie sie sich entwickelt haben – und im Fall von Planeten auch, ob auf ihnen Leben entstehen konnte.

Allerdings ist es sehr schwierig, das Alter von Objekten im Weltraum zu bestimmen.

Sterne wie unsere Sonne haben über Milliarden von Jahren ihre gleiche Leuchtkraft, Oberflächentemperatur und ihren gleichen Radius beibehalten. Die Eigenschaften eines Planeten – wie etwa seine Temperatur – werden im Allgemeinen eher durch die Eigenschaften seines Sterns bestimmt als durch sein eigenes Alter und seine Entwicklung.

Das Alter eines Sterns oder Planeten zu bestimmen, ist also so, als würde man versuchen, das Alter einer Person zu erraten, die von der Geburt bis zum Renteneintritt genau gleich aussieht.

Das Alter eines Sterns erraten

Glücklicherweise verändern Sterne mit der Zeit langsam ihre Helligkeit und Farbe. Mithilfe hochpräziser Instrumente können Astronomen photometrische Daten mit Vorhersagen aus mathematischen Modellen vergleichen, um vorherzusagen, was mit Sternen im Laufe ihrer Alterung geschieht, und so ihr Alter schätzen.

Sterne strahlen nicht nur Licht aus, sie rotieren auch. Mit der Zeit nimmt ihre Rotationsgeschwindigkeit ab, genau wie ein sich drehendes Rad langsam langsamer wird, wenn es auf Reibung stößt. Durch den Vergleich der Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen unterschiedlichen Alters können Astronomen eine mathematische Beziehung zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Alter entwickeln, eine Methode namens Gyrochronologie.

Forscher schätzen das Alter der Sonne auf 4,58 Milliarden Jahre. (Bildquelle: NASA)

Die Rotation des Sterns erzeugt außerdem ein starkes Magnetfeld und magnetische Aktivität, wie etwa Sternflares – starke Energie- und Lichtausbrüche auf der Oberfläche eines Sterns. Ein kontinuierlich abnehmendes Magnetfeld kann auch dabei helfen, das Alter eines Sterns zu schätzen.

Eine weitere, ausgefeiltere Schätzmethode ist die sogenannte Asteroseismologie, bei der Schwingungen innerhalb von Sternen gemessen werden. Astronomen untersuchen die Stoßwellen, die auf der Oberfläche von Sternen entstehen, wenn diese durch das Innere der Sterne wandern. Junge Sterne haben andere Schwingungsmuster als alte Sterne. Auf diese Weise schätzen Astronomen das Alter der Sonne auf etwa 4,58 Milliarden Jahre.

Das Prinzip der Asteroseismologie (Quelle: Wikipedia)

Das Alter des Planeten rekonstruieren

Innerhalb des Sonnensystems sind radioaktive Elemente der Schlüssel zur Bestimmung des Alters von Planeten. Dieses spezielle Atom zerfällt langsam über einen langen Zeitraum. Da es sich bei radioaktiven Elementen um natürlich vorkommende Steine ​​handelt, können Wissenschaftler das Alter vieler Gegenstände – von Steinen bis hin zu Knochen und Gefäßen – anhand dieser Elemente bestimmen.

Mithilfe dieser Methode konnten Wissenschaftler feststellen, dass der älteste bekannte Meteorit etwa 4,57 Milliarden Jahre alt ist, was fast dem Alter der Sonne entspricht. Die ältesten auf der Erde gefundenen Gesteine ​​sind mit etwa 4,4 Milliarden Jahren viel jünger. Ebenso zeigt die Analyse des Mondbodens, der von den Apollo-Missionen mitgebracht wurde, dass die ältesten Gesteine ​​auf dem Mond 4,6 Milliarden Jahre alt sind.

Krater auf dem Mond (Bildnachweis: Tomekbudujedomek/Moment via Getty Images)

Die Untersuchung radioaktiver Elemente ist zwar eine wirkungsvolle Methode zur Altersbestimmung eines Planeten, erfordert dafür aber in der Regel die Verfügbarkeit einiger Gesteine. Normalerweise können Astronomen nur ein Bild eines Planeten untersuchen. Astronomen bestimmen das Alter von Gesteinsplaneten normalerweise durch Zählen der Krater. Ältere Oberflächen weisen mehr Krater auf als jüngere. Allerdings können Erosionen durch Wasser, Wind, kosmische Strahlung und Lava aus Vulkanausbrüchen ältere Einschlagkrater leicht auslöschen.

Bei Gasriesen wie Jupiter funktionieren diese Methoden nicht, da deren fester Kern dicht von der äußeren Atmosphäre umhüllt ist. Dennoch können Astronomen das Alter von Gasriesen bestimmen, indem sie die Einschlagkrater auf ihren Monden zählen oder die Verteilung bestimmter Meteoriten untersuchen, die von ihnen zerbrochen werden. Dies steht im Einklang mit Methoden wie der Messung des Gehalts radioaktiver Elemente auf Gesteinsplaneten oder der Zählung von Einschlagkratern.

Aufgrund der Einschränkungen der vorhandenen Technologie können wir das Alter von Exoplaneten derzeit nicht direkt messen.

Ein durch direkte Abbildung entdeckter Exoplanet ist im Teleskop nur als Punkt zu sehen (Quelle: space.com)

Wie genau sind diese Schätzungen?

Unser eigenes Sonnensystem bietet die beste Möglichkeit, die Genauigkeit zu überprüfen, da Astronomen die Mengen radioaktiver Elemente in Proben von der Erde, dem Mond oder Meteoriten mit dem aus der Asteroseismologie ermittelten Alter der Sonne vergleichen können und die Ergebnisse sehr gut übereinstimmen.

Es wird allgemein angenommen, dass die Sterne in Sternhaufen wie den Plejaden und Omega Centauri etwa zur gleichen Zeit entstanden sind. Daher dürfte das Alter der einzelnen Sterne in diesen Sternhaufen gleich sein. In der Atmosphäre einiger Sterne können Astronomen radioaktive Elemente wie Uran nachweisen – ein schweres Element, das in Gestein und Erde vorkommt. Diese radioaktiven Elemente wurden bereits mit anderen Methoden zur Altersbestimmung verwendet. Astronomen gehen davon aus, dass Planeten etwa so alt sind wie die Sterne, die sie umkreisen. Verbesserte Methoden zur Schätzung des Alters von Sternen könnten daher auch bei der Erforschung des Alters von Planeten hilfreich sein. Durch die Untersuchung einiger subtiler Hinweise können wir einen ungefähren Altersbereich für Exoplaneten ermitteln, die Hauptreihensterne umkreisen.

VON: Adam Burgasser

FY: Chen Li

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