Wie findet man eigentlich Exoplaneten?

Die Erforschung von Exoplaneten, also Planeten die um andere Sterne als unsere Sonne kreisen, ist erst 20 Jahre alt. 1995 wurde mit dem Planet Pegasi 51 b der erste definitive Exoplanet entdeckt und er war gleich eine Sensation. Seit dem konnten viele hundert Sternensysteme mit Planeten identifiziert werden.

Doch wie findet man Exoplaneten? Schließlich sind viele Sterne hunderte oder gar tausende Lichtjahre von uns entfernt und Planeten sind meist um ein Vielfaches kleiner als der Stern den diese Umkreisen. Dazu kommen noch die Umlaufperioden von mehreren Monaten oder gar Jahren.

In diesem Artikel möchte ich die heutigen Methoden zur Identifikation von Exoplaneten beschreiben und wo Ihre aktuellen Grenzen liegen.


Was sind Exoplaneten?

Bevor wir in die Methodik zum finden von Exoplaneten gehen, sollten wir noch einmal einen kurzen Blick darauf werfen, was eigentlichen Exoplaneten sind.

Astronomen die das Universum untersuchen stellen sich häufig sehr banale Fragen. Eine dieser Fragen war z.B. Gibt es auch Planeten die um andere Sternen kreisen?

Das hört sich nun nicht unbedingt kompliziert an, aber bedenkt man das bis 1995 diese Frage noch nicht beantwortet wurde, bekommt man schon mal ein Gefühl das die Antwort wohl nicht so trivial zu finden ist wie man vielleicht heute meint.

Warum ist das aber so wichtig solche Fragen zu stellen und nach Antworten zu suchen? Die Wissenschaft möchte natürlich gern wissen wie unser Universum aufgebaut ist. Unser Wissen beruht immer auf dem Stand den wir beobachten oder messen können. So gab es im Mittelalter die Vermutung das unsere Erde das Zentrum des Universums ist. Bis natürlich Kopernikus und andere Astronomen entdeckten, dass dem wohl nicht so ist.

Das gilt auch für Exoplaneten. Bis 1995 wussten wir nur das unsere Sonne und damit unser Sonnensystem Planeten hervorgebracht hat. Wir konnten dieses Sonnensystem untersuchen und stellten Theorien auf.

Hierbei gibt es Fragen wie: Sind wir etwas besonderes im Universum? oder Hat der Zufall dafür gesorgt das unser Sonne-Planeten-System vielleicht einzigartig im Universum ist?

Heute würden viele Menschen behaupten, dass es doch klar war das es auch andere Planeten und Systeme im Universum gibt. Aber wie oben schon beschrieben. Bis vor gut 20 Jahren hatten wir keine Antworten auf diese Fragen.

Also was sind Exoplaneten? Im Endeffekt kennt ja jeder schon die Antwort.

Wikipedia bringt es auf den Punkt:

Ein Exoplanet, auch extrasolarer Planet, ist ein planetenartiger Himmelskörper außerhalb (griechisch ἔξω) des vorherrschenden gravitativen Einflusses der Sonne. Extrasolare Planeten gehören also nicht dem Sonnensystem an, sondern einem anderen Planetensystem und umkreisen einen anderen Stern (oder einen sternähnlichen Himmelskörper wie einen Braunen Zwerg).

Wenn nun aber schon unsere Nachbarsterne mehrere Lichtjahre entfernt sind, wie kann man dann Exoplaneten entdecken?

Im wesentlichen haben sich zwei Methodiken zur Entdeckung von Exoplaneten herauskristallisiert und wurden seit dem Jahre 1995 immer mehr verfeinert.

Transitmethode, Durchgangsmethode oder Durchgangsbeobachtung

Die wohl eingängigste Methode zur Entdeckung von Exoplaneten ist die Transitmethode.

Wer sich die Sonnenfinsternis im März 2015 angeschaut hat, kann sich diese Methode sogar direkt vorstellen. Dort verdeckte zwar ein Mond (unser) die Sonne und verdunkelte diese, aber im Endeffekt ist das genau der Vorgang den man bei Exoplaneten erwartet und misst.

Bei der Transitmethode sucht und beobachtet man Sterne deren Lichtkurze periodisch abfällt und wieder ansteigt. Man versucht also mit entsprechenden Messmethoden herauszufinden ob das Licht, welches der Stern zur Erde schickt, irgendwann mal um einen Bruchteil schwächer wird und dann wieder heller.

Das geht natürlich nicht mehr mit einer direkten Beobachtung durch einen Menschen. Unser Auge würde die Helligkeitsunterschied nicht mehr wahrnehmen.

Zum Einsatz dieser Messmethode wird die Photometrie verwendet, die natürlich um ein vielfaches Empfindlicher ist und mit deren Analyse des Lichts man solche Abfälle auch untersuchen kann.

Wer nun über diese Methode etwas nachdenkt, kommt recht schnell auf einige Nachteile, die diese Methodik mit sich bringt.

Nachteil 1: Mit dieser Methode können wir nur Exoplaneten entdecken, deren Ebene (Umlaufebene des Planeten um den Stern) in unsere Richtung zeigt. D.h. wir sehen nur Lichtabfälle von Systemen bei denen der Planet oder die Planeten vor Ihrem Stern entlanglaufen.

Das schränkt die zu entdeckenden System natürlich schon mal mächtig ein.

Nachteil 2: Untersuchen wir mit dieser Methode Systeme ähnlich wie unser Sonnensystem, zeigt sich schnell, dass diese Methode viele Planeten noch gar nicht entdeckt haben kann. So benötigt Saturn z.B. 30 Jahre um unsere Sonne. Dieses Forschungsgebiet ist aber erst 20 Jahre alt. D.h. auch Sterne die wir nun beobachten, haben trotz Planeten noch garkeinen Abfall in den Lichtkurzen gezeigt.

Nachteil 3: Der Planet muss hinreichend Groß sein, damit ein Lichtabfall vor dem hellen Stern überhaupt gemessen werden kann. Ist der Planet zu klein, wird er von dieser Methode nicht erfasst.

Trotz der vielen Nachteile wurden mit der Transitmethode immer mehr Planeten entdeckt. Im Jahr 2014 sogar über 800 Stück. Was aber auch daran liegt, dass es lange dauert die Messwerte der Teleskope auszuwerten.

Die Transitmethode hat aber einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen Messmethoden. Wir können die Transitmethode mit erdgebundenen Teleskopen durchführen und sind damit sehr flexible.

Weiterhin basiert diese Methode ja auf dem Einfangen des Lichts und hier spielt die Teleskopgröße eine entscheidende Rolle. Je größer der Spiegel eines Teleskops ist desto mehr Licht kann man damit einfangen. Und dies bedeutet wieder das man feiner Vermessen kann. Hier sollten also die geplanten Großteleskope der ESO weitere Exoplaneten zu tage fördern.

Nimmt man kleinere Teleskop kann man diese Technik aber auch in Satelliten einbauen und die Erde damit verlassen. So gibt es eine Reihe an Satelliten die Möglichst viele Sterne gleichzeitig vermessen.

Bekannte Weltraumteleskope für die Suche nach Exoplaneten sind hier COROT, Kepler oder auch das Spitzer-Weltraumteleskop.

Mit welcher Methode bekommt man aber nun alle Systeme untersucht, die nicht mit Ihrer Ebene auf uns zeigen (siehe Nachteil 1)?

Radialgeschwindigkeitsmethode

Mit der Radialgeschwindigkeitsmethode. Hört sich kompliziert an, ist es aber nicht.

Wie wir wissen unterliegen die Planeten und die Sterne dem Gravitationseinfluss. Dieser Sorgt dafür das an unserer Erde gezogen wird und diese damit nicht einfach aus dem Sonnensystem verschwindet. Natürlich zieht auch der Planet an der Sonne und dieses ziehen kann man messen.

Solche gravitativen Einfluss kennen wir nicht nur von unserem Erde-Mond-System, sondern auch von dem System Pluto und seinem Mond Charon.

Dort kann man die Radialgeschwindigkeitsmethode sehr gut erkennen.

Animated gif showing Pluto and it's Moon Charon in motion.

Das gleiche passiert auch, wenn man sich Sterne und Ihre Planeten anschaut und dadurch kann man Sonnensysteme mit Planeten entdecken, deren Ebene nicht in unsere Richtung zeigen.

So wurde zum Beispiel der erste Planet Pegasi 51 b gefunden. Hier diskutierte aber die Fachwelt sehr stark, den die Umlaufzeit des Planeten um seinen Stern betrug gerade einmal 4,2 Tage. Denkt daran, unsere Umlaufzeit um unsere Sonne beträgt 365 Tage!

Auch diese Methoden hat natürlich Grenzen. Zum einen bewegt sich der Stern nur sehr wenig, da die Masse des Sterns um Größenordnungen größer als die des ziehenden Planeten ist.

Trotzdem entdeckt man mit der Methode immer mehr Exoplanetensysteme und je feiner die Messmethodik wird desto genauer kann man auch die Anzahl der Planeten im System erkennen.

Grenzen der Technik  

Leider gibt es, wie bei allen Messverfahren, auch Grenzen in der Technik. Bei den Nachteilen habe ich einige Grenzen schon beschrieben.

Im Allgemeinen kann man heute Planeten entdecken, die ungefähr 1,5 Erdmassen besitzen. Alles was darunter liegt, kann heute noch nicht genau genug gemessen werden.

Eines ist aber schon jetzt ziemlich klar. Sternsysteme mit Planeten sind nichts seltenes im Universum, sondern sogar eher Standard. Man vermutet das nach Hochrechnungen ca. jeder 2. Stern mindestens ein Planet besitzt. Das wäre also allein in unserer Milchstraße ca. 50 bis 100 Milliarden Planetensystemen.

Auch in anderen Galaxien vermutet man Planetensysteme. Leider lässt sich das aber nicht mit Sicherheit sagen.

Nun sind sowohl die Transitmethode als auch die Radialgeschwindigkeitsmethode indirekte Messverfahren. Man ermittelt hier einfach den Einfluss des Planeten auf seinen Stern.

Gibt es auch direkte Beobachtungen?

Direkte Beobachtung

Im Jahre 2004 gab die ESO bekannt, die erste direkte Beobachtung eines Planetensystems gemacht zu haben. 2006 konnten Messungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop diese Beobachtung bestätigen.

Das System befindet sich 225 Lichtjahre von uns entfernt und dort umkreist ein Planet den braunen Zwerg 2M1207.

Mittlerweile gibt es mehrere Planetensysteme die direkt beobachtet werden konnten. Leider sind hier die Grenzen noch weiter weg, so das diese Systeme meist Planeten mit mehrfacher Jupitermasse zeigen.

Die Technologie schreitet also voran und ich denke in den nächsten 10 Jahren werden wir bestimmt sehr viele Fortschritte auf diesem Gebiet machen.

Fazit

Die Exoplanetenforschung ist eine sehr junge Wissenschaft und wie es eine Forscherin mal ausdrückte, sollte man einfach daran denken, dass wir die erste Generation sind, die wirklich Planeten um andere Sonnen nachgewiesen hat.

Ich finde die Fortschritte in der Astronomie wirklich fantastisch und allein in den letzten 5 Jahren haben wir soviel über uns und unsere Stand im Universum gelernt.

Wer sich jetzt etwas intensiver mit Exoplaneten beschäftigen möchte, sollte sich unbedingt den Podcast raumzeit und dort die Folge RZ060 anhören.

Dort geht es direkt um das Thema Extrasolare Planeten.

Weiterführende Links:

Wikipedia Exoplanet

Wikipedia Bedeckungen

Wikipedia Radialgeschwindigkeit

Wikipedia Photometrie

Wikipedia Kepler Weltraumteleskop

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