Extragalaktische Exoplaneten

Exoplanet in M31

Rund 350 Planeten um ferne Sonnen haben Astronomen bereits gefunden. Alle befinden sich in unserer Galaxie, der Milchstraße. Logisch – denn das Aufspüren der im Vergleich zu den Sternen winzigen Planeten ist eine der anspruchsvollsten Aufgaben der modernen Astronomie. So ist es bisher ein Ding der Unmöglichkeit, mit der heutigen Technik einen Exoplaneten in einer anderen, Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie zu entdecken. Doch diese Ansicht ist seit Kurzem obsolet. Denn ein Team von Forschern aus Italien, der Schweiz, Spanien und Russland hat gezeigt, dass eine solche Entdeckung schon mit den heutigen Teleskopen möglich ist. Und mehr noch: Wie sie in ihrer Veröffentlichung berichten, könnte der erste extragalaktische Exoplanet bereits vor fünf Jahren entdeckt worden sein.
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Gravitation kann Licht beugen, weshalb große Galaxienhaufen als Teleskope fungieren können. Fast alle hellen Objekte auf dieser Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops sind Galaxien des als Abell 2218 bekannten Haufens. Der Haufen ist so massereich und so kompakt, dass seine Gravitation das Licht der Galalaxien, die dahinter liegen, krümmt und fokussiert. Ein Ergebnis daraus ist, dass Mehrfachbilder dieser Hintergrundgalaxien zu langen, blassen Bögen verzerrt werden - ein einfacher Linseneffekt, den man mit dem Betrachten weit entfernter Straßenlampen durch ein Weinglas vergleichen kann.

Gravitation kann Licht beugen, weshalb große Galaxienhaufen als Teleskope fungieren können. Fast alle hellen Objekte auf dieser Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops sind Galaxien des als Abell 2218 bekannten Haufens. Der Haufen ist so massereich und so kompakt, dass seine Gravitation das Licht der Galalaxien, die dahinter liegen, krümmt und fokussiert. Ein Ergebnis daraus ist, dass Mehrfachbilder dieser Hintergrundgalaxien zu langen, blassen Bögen verzerrt werden - ein einfacher Linseneffekt, den man mit dem Betrachten weit entfernter Straßenlampen durch ein Weinglas vergleichen kann.

Acht Planeten durch Mikro-Gravitationslinse nachgewiesen

Eine große Spiralgalaxie wie unsere Milchstraße enthält schätzungsweise rund 200 bis 300 Milliarden Sterne. Die Andromedagalaxie, mit rund zwei Millionen Lichtjahren Entfernung eine der nächstgelegenen Spiralgalaxien, soll sogar eine Billion Sonnen enthalten. Dass die meisten von ihnen ein Planetensystem besitzen, gilt inzwischen als gesicherte Erkenntnis. Die für die Exoplanetensuche angewendeten Techniken sind allesamt ziemlich ausgefeilt und bedienen sich indirekter Methoden. Erst vor wenigen Monaten gelang es zum ersten Mal, ein Exoplanetensystem im sichtbaren Licht direkt abzubilden.
Nur acht Planeten wurden bislang mit dem so genannten Mikro-Gravitationslinseneffekt nachgewiesen. Eine Gravitationslinse ist eine große Masse, die das Licht einer hinter ihr liegenden Lichtquelle auf eine gekrümmte Bahn lenkt. Der Effekt ist eine direkte Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Sowohl Quelle als auch Linse können ein Stern, eine Galaxie oder sogar ein ganzer Galaxienhaufen sein. Je größer die Masse der Linse, desto stärker ist der Effekt: So zeigen Bilder des Weltraumteleskops Hubble wunderschöne Bilder von Gravitationslinsen, die das Licht der dahinter liegenden Galaxien verzerren und mehrfach abbilden (siehe Bild oben).
Wirkt ein Stern als Gravitationslinse, so ist der Effekt längst nicht so ausgeprägt. Insbesondere reicht seine Masse nicht aus, um ein mehrfaches Abbild der Quelle (in der Regel ein zweiter, weiter entfernter Stern) zu erzeugen, das von irdischen Teleskopen aufgelöst werden könnte. Solche Mikrogravitationslinsen verraten sich jedoch, indem sie das Licht der Quelle verstärken. Bewegen sich Quelle und Linse in einem geeigneten Sichtwinkel aneinander vorbeibewegen, kann auf der Erde ein kurzzeitiges Ansteigen der Helligkeit der Quelle registriert werden. Bei diesem Mikrolinseneffekt handelt es sich also um ein vorübergehendes Phänomen, das einige Monate, Tage oder nur Stunden dauern kann, je nach Relativgeschwindigkeit von Quelle und Linse.

Besteht die Gravitationslinse aus einem einzelnen Stern, so verläuft die Lichtkurve, also der Helligkeitsverlauf mit der Zeit, ziemlich einfach: Es gibt einen ansteigenden und einen abfallenden Ast und ein bestimmtes Helligkeitsmaximum. Das ändert sich, sobald der Linsenstern über einen oder mehrere Begleiter verfügt, etwa Planeten. Diese steuern einen kleinen Beitrag zur „Brechkraft“ der Gravitationslinse bei und verraten sich über Unregelmäßigkeiten in der ansonsten stetigen Helligkeitskurve. Aus diesen Abweichungen können die Astronomen die Masse und die Distanz des Planeten zu seinem Stern berechnen.
Diese Komposit-Aufnahme aus über 3000 Aufnahmen des Weltraumteleskops Spitzer Space Telescope zeigt ein Infrarotbild der Andromedagalaxie M31, in der der Staub rot und alte Sterne blau dargestellt sind. Die Andromeda-Galaxie ist eine massereiche Spiralgalaxie in etwa 2,5 Millionen Lichtjahren Entfernung zu unserer Milchstraße. Mit einem Durchmesser von etwa dem Doppelten der Milchstraße ist sie die massereichste Galaxie in unserer näheren Umgebung.

Diese Komposit-Aufnahme aus über 3000 Aufnahmen des Weltraumteleskops Spitzer Space Telescope zeigt ein Infrarotbild der Andromedagalaxie M31, in der der Staub rot und alte Sterne blau dargestellt sind. Die Andromeda-Galaxie ist eine massereiche Spiralgalaxie in etwa 2,5 Millionen Lichtjahren Entfernung zu unserer Milchstraße. Mit einem Durchmesser von etwa dem Doppelten der Milchstraße ist sie die massereichste Galaxie in unserer näheren Umgebung.

Ein Vorteil der Mikrolinsenmethode ist, dass sie auch noch gut bei sehr weit entfernten Objekten funktioniert, denn Helligkeitsvariationen eines Sterns lassen sich gut beobachten. Natürlich sind solche Mikrolinsen sehr selten, denn die Ausrichtung von Quelle, Linse und Erde muss sehr gut stimmen. Daher nehmen Beobachtungsprogramme gleich viele tausend Sterne oder mehr gleichzeitig ins Visier. Dabei haben die Astronomen zusätzlich mit der Schwierigkeit zu kämpfen, dass es noch eine Reihe weiterer Sterne gibt, die ihre Helligkeit kurzzeitig ändern können, etwa Veränderliche oder Novae.

Die Mikrolinsenmethode ist mittlerweile ein Standardwerkzeug der Astronomen. Doch nun ist es offenbar gelungen, diese Methode auch bei Sternen in der rund zwei Millionen Lichtjahre entfernten Andromedagalaxie anzuwenden (siehe Bild oben). Die Forscher um Gabriele Ingrosso von der Università del Salento in Lecce, Italien verwendeten dazu umfangreiche Computermodelle zur Simulation der Signaturen, die von einem Exoplaneten in der Andromedagalaxie zu erwarten wäre. Ihr Ergebnis: Die Wahrscheinlichkeit, einen solchen Planeten tatsächlich aufzuspüren beträgt zwar nur wenige Prozent, ist mit den heutigen Teleskopen aber durchaus möglich.
Die Suche nach Exoplaneten in einer entfernten Galaxie erfolgt dabei mit der so genannten „Pixel-Linsenmethode“ (engl. pixel-lensing). Dabei werden die Sterne der Galaxie nicht mehr einzeln abgebildet, denn dazu sie sind zu weit entfernt. Jedes Pixel der Kamera erhält statt dessen das Licht vieler, nicht aufgelöster Sterne, so wie das bloße Auge ohne Hilfsmittel nur den diffusen Schein der Milchstraße am Himmel, nicht aber einzelne Sterne ausmachen kann. Erfährt von diesen nicht aufgelösten Sternen einer eine Verstärkung durch eine Mikrolinse, so äußert sich dies durch einen Helligkeitsanstieg des entsprechenden Kamerapixels. Tatsächlich konnten bislang etwa ein Dutzend solcher Mikrolinseneffekte in der Andromedagalaxie beobachtet werden – und bei einem dieser Objekte zeigten sich tatsächlich Abweichungen, die der neuen Untersuchung zu Folge auf einen Planeten der sechsfachen Jupitermasse hindeuten.

Das Objekt mit dem Namen PA-99-N2 wurde bereits 2004 entdeckt und zunächst für einen Doppelstern gehalten. Noch ist nicht gesichert, was seine wirkliche Natur ist, doch die Pixel-Linsenmethode könnte nach der jetzt vorgelegten Studie der Schlüssel zur Entdeckung einer Unzahl neuer Exoplaneten in fremden Galaxien werden.

Jan Hattenbach ist Physiker und freier Wissenschaftsjournalist in Aachen.