Was sind extrasolare Planeten?

Seit unzähligen Generationen haben Menschen in den Nachthimmel geschaut und sich gefragt, ob sie allein im Universum sind. Mit der Entdeckung anderer Planeten in unserem Sonnensystem, der wahren Ausdehnung der Milchstraße und anderer Galaxien außerhalb unserer eigenen, hat sich diese Frage nur vertieft und ist tiefer geworden.

Und während Astronomen und Wissenschaftler lange vermutet haben, dass andere Sternensysteme in unserer Galaxie und im Universum eigene Planeten umkreisen, wurden diese erst in den letzten Jahrzehnten beobachtet. Im Laufe der Zeit haben sich die Methoden zum Nachweis dieser „extrasolaren Planeten“ verbessert, und die Liste derjenigen, deren Existenz bestätigt wurde, ist entsprechend gewachsen (auf über 3000!).

Definition:

Ein extrasolarer Planet, auch Exoplanet genannt, ist ein Planet, der einen anderen Stern als unseren eigenen umkreist (d. H. Teil eines Sonnensystems ist). Unser Sonnensystem ist nur eines von Milliarden, und viele von ihnen haben höchstwahrscheinlich ein eigenes Planetensystem. Bereits im 16. Jahrhundert gab es Astronomen, die die Existenz extrasolarer Planeten vermuteten.

Die erste Erwähnung wurde vom italienischen Philosophen Giordano Bruno gemacht, einem frühen Befürworter der kopernikanischen Theorie. Er unterstützte nicht nur die Idee, dass die Erde und andere Planeten die Sonne umkreisen (Heliozentrismus), sondern vertrat auch die Ansicht, dass die Fixsterne der Sonne ähnlich sind und ebenfalls von Planeten begleitet werden.

Im achtzehnten Jahrhundert machte Isaac Newton einen ähnlichen Vorschlag im Abschnitt „General Scholium“, der seinen abschließt Principia. Zum Vergleich mit den Planeten der Sonne schrieb er: „Und wenn die Fixsterne die Zentren ähnlicher Systeme sind, werden sie alle nach einem ähnlichen Design konstruiert und unterliegen der Herrschaft von Einer.”

Seit Newtons Zeit wurden verschiedene Behauptungen aufgestellt, die jedoch von der wissenschaftlichen Gemeinschaft als falsch positiv abgelehnt wurden. In den 1980er Jahren behaupteten einige Astronomen, sie hätten einige extrasolare Planeten in nahe gelegenen Sternensystemen identifiziert, konnten ihre Existenz jedoch erst Jahre später bestätigen.

Erste Entdeckungen:

Einer der Gründe, warum extrasolare Planeten so schwer zu erkennen sind, ist, dass sie noch schwächer sind als die Sterne, die sie umkreisen. Zusätzlich geben diese Sterne Licht ab, das die Planeten „auswäscht“ – d. H. Sie vor direkter Beobachtung verdeckt. Infolgedessen wurde die erste Entdeckung erst 1992 gemacht, als die Astronomen Aleksander Wolszczan und Dale Frail – unter Verwendung des Arecibo-Observatoriums in Puerto Rico – mehrere Planeten mit terrestrischer Masse beobachteten, die den Pulsar PSR B1257 + 12 umkreisten.

Erst 1995 erfolgte die erste Bestätigung eines Exoplaneten, der einen Hauptreihenstern umkreist. In diesem Fall war der beobachtete Planet 51 Pegasi b, ein riesiger Planet, der in einer viertägigen Umlaufbahn um den sonnenähnlichen Stern 51 Pegasi (ca. 51 Lichtjahre von unserer Sonne entfernt) gefunden wurde.

Anfänglich waren die meisten entdeckten Planeten Gasriesen, die Jupiter ähnlich oder größer als Jupiter waren – was dazu führte, dass der Begriff „Super-Jupiter“ geprägt wurde. Weit davon entfernt, darauf hinzuweisen, dass Gasriesen häufiger vorkommen als felsige (d. H. „Erdähnliche“) Planeten, waren diese Ergebnisse einfach auf die Tatsache zurückzuführen, dass Planeten in Jupiter-Größe aufgrund ihrer Größe einfach leichter zu erkennen sind.

Die Kepler-Mission:

Das nach dem Renaissance-Astronomen Johannes Kepler benannte Kepler-Weltraumobservatorium wurde am 7. März 2009 von der NASA ins Leben gerufen, um erdähnliche Planeten zu entdecken, die andere Sterne umkreisen. Im Rahmen des Entdeckungsprogramms der NASA, einer Reihe relativ kostengünstiger Projekte, die sich auf wissenschaftliche Forschung konzentrieren, hat Kepler die Aufgabe, einen Teil unserer Region der Milchstraße zu untersuchen, um Hinweise auf extrasolare Planeten zu finden und abzuschätzen, wie viele Sterne in unserer Galaxie Planeten haben Systeme.

Keplers einziges Instrument basiert auf der Transit-Erkennungsmethode (siehe unten) und ist ein Photometer, das die Helligkeit von über 145.000 Hauptreihensternen in einem festen Sichtfeld kontinuierlich überwacht. Diese Daten werden zurück zur Erde übertragen, wo sie von Wissenschaftlern analysiert werden, um nach Anzeichen einer periodischen Verdunkelung zu suchen, die durch extrasolare Planeten verursacht wird, die vor ihrem Wirtsstern durchqueren (vorbeiziehen).

Die ursprünglich geplante Lebensdauer der Kepler-Mission betrug 3,5 Jahre, aber die über den Erwartungen liegenden Ergebnisse führten zu einer Verlängerung der Mission. 2012 sollte die Mission bis 2016 dauern, dies änderte sich jedoch aufgrund des Ausfalls eines der Reaktionsräder des Raumfahrzeugs, die zum Richten des Raumfahrzeugs verwendet werden. Am 11. Mai 2013 fiel ein zweites von vier Reaktionsrädern aus, wodurch die Erfassung wissenschaftlicher Daten deaktiviert und die Fortsetzung der Mission bedroht wurde.

Am 15. August 2013 gab die NASA bekannt, dass sie den Versuch, die beiden ausgefallenen Reaktionsräder zu reparieren, aufgegeben und die Mission entsprechend geändert hatte. Anstatt Kepler zu verschrotten, schlug die NASA vor, die Mission dahingehend zu ändern, Kepler zu verwenden, um bewohnbare Planeten um kleinere, dunklere rote Zwergsterne zu entdecken. Dieser Vorschlag, der als K2 „Second Light“ bekannt wurde, wurde am 16. Mai 2014 genehmigt.

Seit dieser Zeit hat sich die K2-Mission mehr auf hellere Sterne (wie Sterne der G- und K-Klasse) konzentriert. Bis zum 13. Oktober 2016 haben Astronomen das Vorhandensein von 3.397 Exoplaneten und 573 Mehrplanetensystemen bestätigt, von denen die überwiegende Mehrheit anhand von Daten von Kepler gefunden wurde. Insgesamt hat die Raumsonde im Verlauf ihrer Primär- und K2-Missionen über 150.000 Sterne beobachtet.

Im November 2013 berichteten Astronomen auf der Grundlage von Kepler-Weltraummissionsdaten, dass in den bewohnbaren Zonen sonnenähnlicher und roter Zwergsterne in der Milchstraße bis zu 40 Milliarden erdgroße Planeten umkreisen könnten. Es wird geschätzt, dass 11 Milliarden dieser Planeten sonnenähnliche Sterne umkreisen.

Bewohnbare Planeten:

Die Entdeckung von Exoplaneten hat auch das Interesse an der Suche nach außerirdischem Leben verstärkt, insbesondere für diejenigen, die in der bewohnbaren Zone des Wirtssterns umkreisen. Dies ist auch als „Goldlöckchen-Zone“ bekannt. Dies ist die Region des Sonnensystems, in der die Bedingungen warm genug (aber nicht zu warm) sind, so dass flüssiges Wasser (und damit Leben) auf der Oberfläche des Planeten existieren kann.

Der erste von Kepler bestätigte Planet mit einer durchschnittlichen Umlaufbahnentfernung, die ihn in die bewohnbare Zone seines Sterns brachte, war Kepler-22b. Dieser Planet befindet sich etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Cygnus und wurde zuerst am 12. Mai 2009 beobachtet und dann am 5. Dezember 2011 bestätigt. Basierend auf allen erhaltenen Daten glauben Wissenschaftler, dass diese Welt ungefähr 2,4 ist mal den Radius der Erde und ist wahrscheinlich in Ozeanen bedeckt oder hat eine flüssige oder gasförmige Außenhülle.

Vor dem Einsatz von Kepler fiel die überwiegende Mehrheit der bestätigten Exoplaneten in die Kategorie Jupiter oder größer. Bis zum 18. September 2015 hat Kepler jedoch 4.696 potenzielle Kandidaten identifiziert, von denen viele in die Kategorien Erdgröße oder „Supererde“ fallen. Viele davon befinden sich in der bewohnbaren Zone ihrer Elternsterne, einige sogar um sonnenähnliche Sterne.

Laut einer kürzlich vom NASA Ames Research Center durchgeführten Studie ergab die Analyse der Kepler-Missionsdaten, dass etwa 24% der Sterne der M-Klasse potenziell bewohnbare Planeten in Erdgröße beherbergen können (dh solche, die kleiner als das 1,6-fache des Erdradius sind ). Basierend auf der Anzahl der Sterne der M-Klasse in der Galaxie repräsentiert dies allein etwa 10 Milliarden potenziell bewohnbare, erdähnliche Welten.

Analysen der K2-Phase deuten darauf hin, dass etwa ein Viertel der untersuchten größeren Sterne möglicherweise auch einen erdgroßen Planeten in ihren bewohnbaren Zonen umkreist. Zusammengenommen machen die von Kepler beobachteten Sterne etwa 70% der in der Milchstraße gefundenen Sterne aus. Man kann also abschätzen, dass es allein in unserer Galaxie buchstäblich zehn Milliarden potenziell bewohnbarer Planeten gibt.

Nachweismethoden:

Während einige Exoplaneten direkt mit Teleskopen beobachtet wurden (ein Prozess, der als „Direct Imaging“ bezeichnet wird), wurde die überwiegende Mehrheit durch indirekte Methoden wie die Transitmethode und die Radialgeschwindigkeitsmethode nachgewiesen. Bei der Transitmethode wird ein Planet beobachtet, wenn er den Pfad (d. H. Den Transit) vor der Scheibe seines Muttersterns kreuzt.

In diesem Fall sinkt die beobachtete Helligkeit des Sterns um einen kleinen Betrag, der gemessen und zur Bestimmung der Größe des Planeten verwendet werden kann. Die Transitmethode zeigt den Radius eines Planeten und hat den Vorteil, dass manchmal die Atmosphäre eines Planeten spektroskopisch untersucht werden kann.

Es leidet jedoch auch unter einer erheblichen Rate von Fehlalarmen und erfordert im Allgemeinen, dass ein Teil der Umlaufbahn des Planeten eine Sichtlinie zwischen dem Wirtsstern und der Erde schneidet. Infolgedessen wird eine Bestätigung durch eine andere Methode normalerweise als notwendig erachtet. Dennoch bleibt es das am weitesten verbreitete Nachweismittel und ist für mehr Exoplanetenentdeckungen verantwortlich als alle anderen Methoden zusammen. Das Kepler-Teleskop verwendet diese Methode (siehe oben).

Bei der Radialgeschwindigkeit (oder Doppler-Methode) wird die Radialgeschwindigkeit des Sterns gemessen – d. H. Die Geschwindigkeit, mit der er sich zur Erde hin oder von dieser weg bewegt. Dies ist ein Mittel zur Erkennung von Planeten, da sie als Planetenbahn einen Stern ausüben und einen Gravitationseinfluss ausüben, der bewirkt, dass sich der Stern selbst in seiner eigenen kleinen Umlaufbahn um den Massenschwerpunkt des Systems bewegt.

Diese Methode hat den Vorteil, dass sie auf Sterne mit einer Vielzahl von Eigenschaften anwendbar ist. Einer seiner Nachteile ist jedoch, dass er die wahre Masse eines Planeten nicht bestimmen kann, sondern nur eine Untergrenze für diese Masse festlegen kann. Es bleibt die zweitwirksamste Technik, die von Exoplanetenjägern eingesetzt wird.

Andere Methoden umfassen Transit Timing Variation (TTV) und Gravitationsmikrolinsen. Ersteres beruht auf der Messung der Variationen in den Transitzeiten für einen Planeten, um die Existenz anderer zu bestimmen. Diese Methode ist wirksam bei der Bestimmung der Existenz mehrerer Transitplaneten in einem System, erfordert jedoch, dass die Existenz von mindestens einem bereits bestätigt wird.

In einer anderen Form der Methode kann das Timing der Finsternisse in einem Finsternis-Doppelstern einen äußeren Planeten enthüllen, der beide Sterne umkreist. Bis August 2013 wurden mit dieser Methode einige Planeten gefunden, während zahlreiche weitere bestätigt wurden.

Im Fall der Gravitationsmikrolinse bezieht sich dies auf den Effekt, den das Gravitationsfeld eines Sterns haben kann und der wie eine Linse wirkt, um das Licht eines entfernten Hintergrundsterns zu vergrößern. Planeten, die diesen Stern umkreisen, können im Laufe der Zeit erkennbare Anomalien in der Vergrößerung verursachen, was auf ihre Anwesenheit hinweist. Diese Technik ist effektiv bei der Erkennung von Sternen mit breiteren Umlaufbahnen (1-10 AUs) von sonnenähnlichen Sternen.

Andere Methoden existieren und haben – allein oder in Kombination – die Erkennung und Bestätigung von Tausenden von Planeten ermöglicht. Bis Mai 2015 wurden insgesamt 1921 Planeten in 1214 Planetensystemen sowie 482 Mehrfachplanetensysteme bestätigt.

Zukünftige Missionen:

Mit dem Ende von Keplers Mission und so vielen Entdeckungen, die innerhalb kurzer Zeit gemacht wurden, planen die NASA und andere föderale Raumfahrtagenturen, die Suche nach extrasolaren Planeten fortzusetzen. Zu den vorgeschlagenen NASA-Missionen, die dort fortgesetzt werden, wo Kepler aufgehört hat, gehören der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), dessen Start für 2017 geplant ist, und das James Webb Space Telescope, das im Oktober 2018 eingesetzt werden soll.

Darüber hinaus hofft die Europäische Weltraumorganisation (ESA), weiterhin einen bedeutenden Teil der Milchstraßengalaxie (einschließlich Exoplaneten) mit ihrem 2013 in Betrieb genommenen Gaia-Raumschiff kartieren zu können. Das Herschel-Weltraumobservatorium und die ESA-Mission unter Beteiligung von Die NASA ist seit 2009 in Betrieb und wird voraussichtlich in den kommenden Jahren viele interessante Entdeckungen machen.

Es gibt ein ganzes Universum von Welten zu entdecken, und wir haben kaum die Oberfläche zerkratzt!

Das Space Magazine hat viele interessante Artikel über Exoplaneten. Hier ist, was "erdähnlich" überhaupt bedeutet und sollte es für Proxima Centauri b gelten?, Konzentration auf "Second-Earth" -Kandidaten im Kepler-Katalog, Neue Technik, um erdähnliche Exoplaneten zu finden, potenziell bewohnbarer Exoplanet, der um den nächsten Stern bestätigt wurde!, Planetarisch Der Habitability Index schlägt eine weniger „erdzentrierte“ Sichtweise auf der Suche nach Leben vor. Bewohnbare erdähnliche Exoplaneten könnten näher sein als wir denken.

Weitere Informationen finden Sie auf der Kepler-Homepage bei der NASA. Interessant ist auch die Seite der Planetary Society zu Exoplaneten, ebenso wie das NASA Exoplanet Archive, das mit Hilfe von Caltech gepflegt wird.

Astronomy Cast hat eine Episode zu diesem Thema – Episode 2: Auf der Suche nach anderen Welten.

Quellen:

  • Wikipedia – Exoplanet
  • Die Extrasolar Planets Encyclopaedia
  • Die Planetengesellschaft – Extrasolare Planeten
  • NASA Exoplanet Archive
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