Was ist ein Exoplanet?
Planeten, die einen anderen Stern als die Sonne umkreisen, nennt man „Exoplaneten“. Der erste Exoplanet wurde Mitte der 1990er Jahre bestätigt, und seither haben Astronomen Tausende neuer Welten entdeckt. Diese Planeten sind jedoch so weit entfernt, dass es selbst mit den stärksten Teleskopen fast unmöglich ist, sie direkt zu fotografieren — vergleichbar mit dem Versuch, aus mehreren Kilometern Entfernung einen Glühwürmchen neben einer Kerze zu erkennen. Deshalb haben Astronomen Methoden entwickelt, die indirekte Effekte des Planeten auf seinen Stern messen, anstatt den Planeten selbst zu sehen.
Warum ist das so schwierig?
Ein Stern ist millionenfach heller als der Planet, der ihn umkreist. Von der Erde aus betrachtet lässt dieser Helligkeitsunterschied den Planeten vollständig im Sternenlicht verschwinden. Laut NASA entdecken die meisten Wissenschaftler Exoplaneten deshalb nicht durch direkte Abbildung, sondern indem sie kleine Veränderungen im Verhalten des Sterns beobachten.
Die Transitmethode
Die ergiebigste Technik ist als „Transitmethode“ bekannt. Wenn ein Planet zwischen der Erde und seinem Stern hindurchzieht, erzeugt er eine winzige, aber regelmäßige Verdunkelung im Sternenlicht — ähnlich wie der Mond bei einer Sonnenfinsternis die Sonne teilweise verdeckt. Teleskope überwachen die Helligkeit eines Sterns wochen-, monate- oder sogar jahrelang kontinuierlich und suchen nach diesen sich wiederholenden Verdunkelungen.
Die NASA-Missionen Kepler und ihr Nachfolger K2 bestätigten mit dieser Methode mehr als 3.000 Planeten. Der derzeit aktive Satellit TESS durchmustert auf ähnliche Weise helle Sterne in Erdnähe und findet Planetenkandidaten für detailliertere Folgeuntersuchungen. Die Größe der Verdunkelung gibt Aufschluss über die Größe des Planeten, während der Abstand zwischen den Verdunkelungen zeigt, wie nahe der Planet seinem Stern ist und wie lange sein „Jahr“ dauert.
Die Radialgeschwindigkeitsmethode
Während ein Planet seinen Stern umkreist, bewegen sich eigentlich beide um ein gemeinsames Massenzentrum — das heißt, auch der Stern selbst „wackelt“ leicht, wenn auch nur minimal. Dieses Wackeln verursacht eine messbare Verschiebung in der Farbe des vom Stern kommenden Lichts: Nähert sich der Stern uns, verschiebt sich sein Licht leicht ins Blaue, entfernt er sich, ins Rote. Dies nennt man den „Doppler-Effekt“, dasselbe physikalische Prinzip, nach dem eine sich nähernde Rettungswagensirene höher klingt und eine sich entfernende tiefer.
Diese Methode wurde bei einigen der ersten Exoplaneten-Entdeckungen der Geschichte eingesetzt und ist besonders wirksam beim Aufspüren großer, sternnaher Planeten. In Kombination mit der Transitmethode können Wissenschaftler sowohl die Größe als auch die Masse eines Planeten berechnen — und aus diesen beiden Werten seine Dichte bestimmen, also ob er gesteinsartig oder gasförmig ist.
Direktabbildung und Mikrolensing
In manchen Fällen können Astronomen den Planeten tatsächlich „sehen“. Dazu werden Teleskope mit einer Art Maske ausgestattet — einem Koronografen —, der das helle Licht des Sterns blockiert und nur die schwächeren Punkte in seiner Umgebung sichtbar macht. Diese Methode funktioniert jedoch nur bei sehr großen, jungen (und damit noch heißen und relativ hellen) Planeten, die weit von ihrem Stern entfernt sind; bis heute wurden auf diese Weise weniger als hundert Planeten entdeckt.
Eine weitere, seltener eingesetzte Technik, das „gravitative Mikrolensing“, beruht darauf, dass das Licht eines fernen Sterns vorübergehend durch die Schwerkraft eines anderen, davorziehenden Stern-Planeten-Systems verstärkt wird. Ein kleiner Ausschlag in dieser Verstärkungskurve kann auf einen Planeten im Hintergrundsystem hindeuten. Diese Methode hat den Vorteil, deutlich weiter entfernte Planeten aufspüren zu können als andere Techniken, ist aber schwer zu bestätigen, da sich dieselbe Ausrichtung nie wiederholt.
Atmosphärenanalyse mit dem James Webb
Sobald ein Planet entdeckt ist, lautet die eigentlich interessante Frage meist: Was befindet sich dort? Hier kommt die Spektroskopie ins Spiel. Wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht, durchdringt ein Teil des Sternenlichts seine Atmosphäre. Dieses Licht wird von verschiedenen Molekülen in der Atmosphäre bei unterschiedlichen Wellenlängen leicht absorbiert und hinterlässt eine Art „chemischen Fingerabdruck“.
Das James-Webb-Weltraumteleskop gehört zu den empfindlichsten Instrumenten, die je zur Untersuchung dieser Spuren gebaut wurden. Dank ihm konnten in den Atmosphären einiger Exoplaneten Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Natrium nachgewiesen werden. Eines der Ziele künftiger Missionen ist es, diese Methode auf biologische Signaturen auszuweiten, die mit Leben in Verbindung gebracht werden.
Zukünftige Missionen
Die meisten bisher entdeckten Exoplaneten liegen in einem schmalen Himmelsausschnitt, den Missionen wie Kepler durchmusterten. Das für die kommenden Jahre geplante Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop soll Transit- und Mikrolensing-Methoden kombinieren, um ein deutlich größeres Gebiet zu durchmustern, was wahrscheinlich Tausende neuer Kandidaten hervorbringen wird. Die PLATO-Mission der Europäischen Weltraumorganisation konzentriert sich ähnlich auf die Suche nach erdähnlichen Gesteinsplaneten, insbesondere solchen in der habitablen Zone ihrer Sterne.
Das gemeinsame Ziel dieser neuen Instrumentengeneration ist nicht nur, die Frage zu beantworten, „wie viele Planeten es gibt“, sondern im Voraus zu bestimmen, welche Planeten eine genauere Untersuchung wert sind — insbesondere eine Atmosphärenanalyse mit Teleskopen wie James Webb. Zwischen dem Wissen, dass ein Planet existiert, und dem Verständnis dessen, was sich dort befindet, besteht weiterhin ein großer Unterschied — und genau diese Lücke versucht die Astronomie heute zu schließen.
Ein bekanntes Beispiel: Das TRAPPIST-1-System
Um zu sehen, wie diese Methoden in der Praxis funktionieren, ist das TRAPPIST-1-System ein gutes Beispiel. Um diesen kühlen Zwergstern, etwa 40 Lichtjahre von der Erde entfernt, wurden mit der Transitmethode sieben Gesteinsplaneten entdeckt — eines der am dichtesten besiedelten bekannten Exoplanetensysteme. Mehrere dieser Planeten liegen in der sogenannten „habitablen Zone“ ihres Sterns, dem Entfernungsbereich, in dem theoretisch flüssiges Wasser existieren könnte. Das James-Webb-Weltraumteleskop beobachtet dieses System weiterhin, um herauszufinden, ob diese Planeten Atmosphären besitzen; bisherige Befunde deuten darauf hin, dass die innersten Planeten keine dichte Atmosphäre besitzen, während die Erforschung der äußeren Planeten fortgesetzt wird.
Warum ist das wichtig?
Exoplanetenforschung erschöpft sich nicht darin, ferne Welten aufzulisten; sie hilft uns zu verstehen, wie typisch oder außergewöhnlich unser eigenes Sonnensystem ist, wie Planeten entstehen und wie häufig lebensfreundliche Bedingungen im Universum entstehen können. Jede neue Nachweismethode fügt ein weiteres Datenteilchen hinzu, das uns der Frage „Sind wir allein?“ ein Stück näherbringt.