Exoplaneten

Auf der Suche nach einer "zweiten Erde"

Die Meldung, dass ein Planet bei einem fremden Stern entdeckt wurde, war bei der Premiere vor über zenn Jahren eine Sensation. Heute ist Routine daraus geworden: Über 300 aufgespürte Exoplaneten stehen bereits auf der Liste der Astronomen, und ständig kommen neue hinzu. Bilder von ihnen waren hingegen bislang Mangelware. Das ist nun vorbei: In einer Art Doppelschlag veröffentlichten Forscher zweier Teams jetzt Fotos von fernen Planetensystemen, darunter auch die erste, die im sichtbaren Spektralbereich aufgenommen wurde.
Links der Stern HR 8799, auf dem rechten Teil des Bildes erkennt man in der dazugehörigen Infrarotaufnahme seine drei planetaren Begleiter.

Links der Stern HR 8799, auf dem rechten Teil des Bildes erkennt man in der dazugehörigen Infrarotaufnahme seine drei planetaren Begleiter.

Drei Planeten strahlen im Infrarot

Zweifelsfrei echte Planeten um echte Sterne

Es handelt sich streng genommen nicht um die ersten Bilder von fremden Planeten. Doch die bis jetzt fotografierten Objekte umkreisen entweder keine echten Sterne, sondern erheblich lichtschwächere Braune Zwerge. Oder sie stellten sich selbst als Exemplare dieser Zwischenwesen heraus – zu groß, um noch als Planet durchgehen zu können aber zu klein, um selbst als Stern zu leuchten. Wieder andere haben keinen festen Orbit um den Stern, sondern ziehen völlig eigenständig ihre Bahnen durch das All.

Die nun vorgestellten Bilder sind dagegen die ersten, die zweifellsfrei echte Planeten bei echten Sternen zeigen – und mithin Sonnensysteme wie das unsrige darstellen. Den Astronomen um Christian Marois vom Herzberg Institute of Astrophysics in Victoria (Kanada) ist es mit Hilfe des 10-Meter-Keck- und des 8-Meter-Geminiteleskops auf Hawaii darüber hinaus gelungen, gleich drei Planeten auf einen Streich abzulichten.

Ihre Aufnahme zeigt das Planetensystem des 130 Lichtjahre entfernten Sterns HR 8799 im Sternbild Pegasus. Die drei Planeten umkreisen den Stern in Abständen von 24, 37 und 67 Astronomischen Einheiten. Eine Astronomische Einheit (abgekürzt AE) ist der mittlere Anstand der Erde zur Sonne, also 150 Millionen Kilometer. Sie alle sind größer als der Jupiter, der mit einem Äquatorradius von 142.000 Kilometern der größte unter den Planeten unseres Sonnensystems ist. Ihre Massen betragen das fünf bis 13fache der Jupitermasse – und gelten zweifelsfrei als Planeten und nicht als Braune Zwerge.

Das Planetensystem um HR 8799 ist etwa 60 Millionen Jahre alt, das ist wenig im Vergleich zum „Erwachsenenalter“ des Sonnensystems von 4,5 Milliarden Jahren. Die Planeten um HR 8799 sind jung und deshalb noch sehr heiß – sie emittieren einen Großteil ihrer Strahlung im infraroten Spektralbereich. Die gezeigte Aufnahme ist also ein Wärmebild, wie auch sämtliche Bilder von vermeintlichen Exoplaneten zuvor.
Auf diesem Bild ist Formalhaut b zu erkennen (kl. weißer Kasten). Er ist 100 Millionen Mal lichtschwächer als Formalhaut,  befindet sich innerhalb eines ausgedehnten Staubringes um den Stern und benötigt für einen Umlauf 870 Jahre.

Auf diesem Bild ist Formalhaut b zu erkennen (kl. weißer Kasten). Er ist 100 Millionen Mal lichtschwächer als Formalhaut, befindet sich innerhalb eines ausgedehnten Staubringes um den Stern und benötigt für einen Umlauf 870 Jahre.

Ringsystem größer als das des Saturn

Ganz anders dagegen das Bild, das Wissenschaftler um Paul Kalas von der University of California in Berkeley (USA) mit dem Hubbleteleskop aufgenommen haben. Es zeigt einen extrasolaren Planeten erstmalig im sichtbaren Licht, und kann daher ebenfalls als Novum, wenn nicht sogar als echte Sensation aufgefasst werden. Kalas und seine Kollegen untersuchten den nur 25 Lichtjahre entfernten Stern Fomalhaut im Sternbild Südlicher Fisch, der bereits ohne Probleme mit freiem Auge sichtbar ist. Er gilt schon einige Zeit als heißer Kandidat für ein Planetensystem: Nachdem 2005 mit dem Hubbleteleskop eine konzentrische Staubscheibe um Fomalhaut entdeckt wurde, hielten die Astronomen intensiv Ausschau nach Planeten in seiner Nähe.

Der Planet, Fomalhaut b genannt, umkreist seinen Stern in einem wesentlich größeren Abstand von 17 Milliarden Kilometern, was 120 Astronomischen Einheiten entspricht. Er benötigt für eine Umrundung etwa 870 Jahre. Seine Masse beträgt maximal drei Jupitermassen – die Forscher gehen sogar davon aus, dass er nur eine einzige auf die Waage bringt. Auch Fomalhaut ist wie HR 8799 massereicher, jünger und heißer als die Sonne, Fomalhaut b müsste daher ebenfalls Infrarotlicht abgeben.

Doch das tut er nicht, und er stellt die Astronomen damit vor ein Rätsel. Mit einem Alter von 200 Millionen Jahren sollte er, wie auch die Planeten um HR 8799, noch recht heiß sein, doch offenbar ist seine Atmosphäre mit rund 130° Celsius ausgesprochen kühl. Statt im Infraroten leuchtet Fomalhaut b intensiv im sichtbaren Licht: Die Forscher erklären dies durch ein möglicherweise vorhandenes Ringsystem, das größer ist als das des Planeten Saturn. Dieses könnte viel Sternenlicht reflektieren und den Planeten so heller erscheinen lassen.
Giordano-Bruno-Denkmal

Giordano-Bruno-Denkmal

Ketzerische Überzeugung eines Giordano Bruno

Auf dem Weg zur Entdeckung eines erdähnlichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sind diese neuen Funde ein weiterer, sehr wichtiger Schritt. Schon lange suchen die Astronomen nach fremden Planeten. Weltweit arbeiten mehrere Forschergruppen daran. Denn die Frage nach ihrer Existenz berührt unweigerlich eine der ureigensten Menschheitsfragen: Sind wir alleine im Universum – oder gibt es dort draußen noch jemanden?

Die Vorstellung der Erde als ein Unikum in den Weiten des Alls war vielen Denkern ein Graus. Giordano Bruno vermutete schon zum Ende des 16. Jahrhunderts, dass es Planeten um andere Sterne gibt und dass auf ihnen auch Leben existieren könnte. Er bezahlte diese und andere „Ketzereien“ noch mit seinem Leben. Mit der Entwicklung der beobachtenden Astronomie wurde die Suche nach diesen fremden Welten zu einer wissenschaftlichen Aufgabe. Lange Zeit aber waren die Astronomen erfolglos, erst in den vergangenen 20 Jahren konnten sie entscheidende Fortschritte machen. Planeten, mit Ausnahme junger und heißer Exemplare, produzieren nämlich keine eigene Strahlung, sondern reflektieren das Sternenlicht. Sie sind daher millionenfach leuchtschwächer als Sterne. Zudem umkreisen sie diese in relativ kleinen Abständen, so dass das wenige Licht, das wir überhaupt von ihnen empfangen, durch das helle Sternenlicht überstrahlt wird. Die ersten extrasolaren Planeten wurden deshalb erst mit modernen, hoch auflösenden Spektrographen und großen Teleskopen gefunden und auch nicht fotografisch, sondern mit Hilfe von indirekten Methoden.
Um einen der beiden Sterne im 424 Lichtjahre entfernten Doppelsternsystem HD 113766 kreist ein Ring aus Staub und Gas. Darin könnte sich womöglich gerade ein erdähnlicher Planet bilden.

Um einen der beiden Sterne im 424 Lichtjahre entfernten Doppelsternsystem HD 113766 kreist ein Ring aus Staub und Gas. Darin könnte sich womöglich gerade ein erdähnlicher Planet bilden.

Sind Planetensysteme eher Ausnahme oder die Regel?

Zur genauen Bestimmung der Massen und Umlaufszeiten der Planeten müssen Beobachtungen über Jahre hinweg gemacht werden, vor allem, wenn wie im Fall von Fomalhaut b ein vollständiger Umlauf mehrere Jahrhunderte dauert. So lange muss man natürlich nicht messen. Eine vorläufige Abschätzung dieser Daten ermitteln die Forscher aus der Leuchtkraft der gefundenen Objekte, die sie mit theoretischen Modellen vergleichen. Die nun bekannt gegebenen Werte stammen aus solchen indirekten Verfahren. Sie sind immerhin so präzise, dass man ausschließen kann, dass die Planeten doch schwerer sind und sich damit womöglich als Braune Zwerge entpuppen.

Die Astronomen suchen aber nicht aus reiner Sammelwut nach immer neuen Planeten. Es beschäftigt sie die Frage, wie diese Himmelskörper überhaupt entstehen. Bilden sie sich wie Sterne aus den Gas- und Staubwolken der Spiralgalaxien? Unterscheiden sie sich von Sternen damit nur quantitativ, weil sie eben zu wenig Material abbekommen haben, um selbst ein Stern zu werden und fristen ihr Dasein nun als deren lichtlose Trabanten? Oder bilden sie sich ganz anders – nämlich in der Folge der Sternentstehung in Staubscheiben, wie man sie auch bei Fomalhaut gefunden hat? Besteht also ein auch qualitativer Unterschied zwischen Sternen und Planeten? Dann zumindest könnte man davon ausgehen, dass die meisten Sterne, vielleicht sogar alle, ein Planetensystem besitzen. Diese Erkenntnis wäre wichtig zur Beantwortung der Frage nach anderen bewohnbaren Planeten: Sind Planetensysteme die Regel und nicht die Ausnahme, so gibt es mit Sicherheit auch viele erdähnliche Objekte in habitablen Zonen von sonnenähnlichen Sternen.

Auf das erste Bild eines solchen erdähnlichen Planeten werden wir trotz aller Fortschritte wohl noch eine Weile warten müssen. Zumindest, bis die nächste Generation von Superteleskopen ihre Arbeit aufnimmt. Denn ein Planet wie die Erde, die mehr als 10 Mal kleiner ist als Jupiter und über 300 Mal leichter, ist sowohl mit indirekten Methoden als auch fotografisch nur sehr schwer nachzuweisen. Die jetzt gefundenen Planetensysteme liefern aber immerhin schon einmal einen wertvollen Hinweis darauf, wo die Astronomen suchen müssen: Denn sowohl bei HR 8799 als auch Fomalhaut ist noch genug Platz für kleinere Objekte, vielleicht sogar für die lange gesuchte zweite Erde!

Jan Hattenbach ist Physiker und freier Wissenschaftsjournalist in Aachen