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Allgemein

Gasriesen umkreisen fremde Sonnen

Fast drei Dutzend jupiterähnliche Planeten entdeckt. Die aufgeblähten Gasriesen kommen ihren Sternen gefährlich nahe und haben exotische Eigenschaften. Die Entdeckung lebensfreundlicher Welten ist nur noch eine Frage der Zeit.

Bevor David Latham über andere Welten spricht, geht er erst einmal einkaufen. Und das nicht zu knapp. „28 Dollar und 83 Cent habe ich vorhin ausgegeben“, beginnt der hochgewachsene Astronom am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, einen Vortrag auf einem wissenschaftlichen Kongreß in Washington D.C., und räumt vor den Augen der Zuhörer seine Einkaufstüte aus. „Das ist die Sonne“, sagt er und bläst einen knallroten Riesenluftballon auf, „1,4 Meter im Durchmesser, einemilliardemal verkleinert. In diesem Maßstab macht unsere Erde keinen großen Eindruck.“ Latham hält eine Erbse hoch: „1,2 Zentimeter, ich habe es nachgemessen. Unser Mond und der Planet Merkur dagegen sind 3 Millimeter kleine Pfefferkörner.“ Der Astronom legt zwei Stück davon auf den Tageslichtprojektor. „ Jupiter und Saturn sind Orangen oder Äpfel, Uranus und Neptun Tomaten, und die Planetoiden zwischen Mars und Jupiter Salzkörner.“ Latham streut eine Brise aus. „Aber die Anschaulichkeit täuscht. Wenn wir uns an unseren Maßstab halten, müßte ich Merkur 40 Meter, die Erde 150 Meter, Jupiter 500 Meter und Pluto sogar 4 Kilometer von meinem Luftballon entfernt plazieren. Dazu ist dieser Saal eindeutig zu klein.“ Doch Latham ist nicht gekommen, um mit Früchten zu spielen, sondern um über Fragen zu sprechen, mit denen sich die menschliche Phantasie schon seit Jahrtausenden beschäftigt: Gibt es Planeten auch bei anderen Sternen? Könnten sie Leben beherbergen? Existiert in der Unermeßlichkeit des Weltraums irgendwo eine zweite Erde? „Die gute Nachricht lautet: Es gibt inzwischen zwingende Hinweise für die Existenz von Planeten bei anderen Sternen“, erklärt Latham und projiziert eine Tabelle mit fast drei Dutzend Entdeckungen an die Leinwand. „Die schlechte Nachricht: Keine der Welten ähnelt unserer Erde. Keine hat eine feste Oberfläche und Wasser, das für Leben, wie wir es kennen, notwendig ist.“ Der direkte Nachweis eines extrasolaren Planeten ist gegenwärtig freilich utopisch. Da Planeten viel lichtschwächer sind als ihre Sterne, werden sie einfach überstrahlt – keine Chance für ein Postkartenfoto von einer anderen Welt. Doch die fernen Himmelskörper verraten sich auch durch ihre Gravitation, die einen schwachen, aber meßbaren Einfluß auf ihren Stern ausübt (siehe Kasten „Waffen für die Planetenjagd“). Fast alle bekannten extrasolaren Planeten wurden durch die subtilen Spuren entdeckt, die sie im Spektrum ihres Sterns hinterlassen (siehe Kasten „Das Wackeln der Sterne“). Mit dieser Methode gelang Michel Mayor und Didier Queloz vom Observatorium Genf im Jahr 1995 erstmals der Nachweis eines anderen Planeten bei einem sonnenähnlichen Stern – beim 50 Lichtjahre entfernten 51 Pegasi (bild der wissenschaft 5/1996, „ Aufbruch zu fremden Planeten“). Diese Nachricht war eine astronomische Sensation. Und dabei blieb es nicht. Das Team von Mayor und Queloz sowie insbesondere die Planetenjäger Geoffrey W. Marcy und Paul R. Butler von der San Francisco State University und einige andere Astronomen geben inzwischen in schöner Regelmäßigkeit immer neue Entdeckungen bekannt. Mittlerweile überwachen etwa 20 Forschergruppen in Europa, den USA und Australien die Spektren von vielen hundert Sternen. Weitere Suchprojekte sind in Vorbereitung. Für die nächsten Jahre erwarten die Wissenschaftler, daß ein ganzer Reigen neuer Welten in ihren Datenbergen auftaucht. „Bislang haben wir erst bei ein paar Prozent der beobachteten Sterne Planeten aufgespürt“, sagt Latham. „Aber der Auswahleffekt ist riesig: Unsere Methoden erlauben zur Zeit nur den Nachweis sehr schwerer Körper in geringer Distanz zu ihrem Heimatstern, andere entgehen uns systematisch.“ Entsprechend exotisch sind die neu entdeckten Planeten: Die meisten der Himmelskörper wiegen mehr als Jupiter, das Schwergewicht im Sonnensystem. Leider liefern die Radialgeschwindigkeiten nur die Minimum-Masse, da die Neigung der Bahn zur Beobachtungsebene unbekannt ist (die Minimum-Masse muß noch mit dem Sinus dieser Inklination multipliziert werden). In der Regel dürften die Planeten aber rund zweimal schwerer sein als dieses Minimum. Die Obergrenzen liegen meist bei fünf bis zehn Jupitermassen. Zur großen Überraschung der Forscher befinden sich viele der Riesenplaneten ausgesprochen nah an ihrem Stern – bei jedem zweiten ist der Abstand geringer als der zwischen Merkur und Sonne. (Astronomen geben die Entfernungen häufig in Astronomischen Einheiten an, wobei 1 AE der mittlere Abstand zwischen Sonne und Erde ist, knapp 150 Millionen Kilometer; Merkurs Distanz zur Sonne beträgt 57,9 Millionen Kilometer oder 0,39 AE.) Der momentane Rekordhalter ist ein mindestens 0,5 Jupitermassen schwerer Trabant um den 163 Lichtjahre entfernten Stern HD 187123: Er umrundet seinen Heimatstern einmal alle drei Tage in einer Entfernung von nur 0,042 AE. Die große Nähe zu ihrem Stern bringt solche Planeten zum Aufglühen – Temperaturen über 1000 Grad Celsius sind die Regel. Unter Astronomen hat sich bereits ein Terminus technicus für diese Höllenwelten eingebürgert: Heiße Jupiter. Das dritte auffällige Merkmal ist die extrem elliptische Umlaufbahn von vielen der neu bekannten Welten. Im Sonnensystem sind die Planetenorbits außer bei Merkur und Pluto fast kreisförmig. Die Bahn des Planeten von HD 222582 dagegen ist so exzentrisch, daß sein Sternabstand zwischen 0,39 und 2,31 AE schwankt – das entspricht im Sonnensystem einem Aufenthaltsbereich zwischen Merkur einerseits und dem Planetoidengürtel zwischen Mars und Jupiter andererseits. Die neuen Entdeckungen weichen also von vielem ab, was man kannte oder erwartet hatte. Sie erzwingen eine Revision unserer Vorstellung dessen, wie die Natur Welten erschafft, zerstört und die Choreografie ihrer orbitalen Menuette dirigiert. „Die Entdeckungen machen einen Trend sichtbar, der, so dachten wir anfangs, eigentlich mit weiteren Beobachtungen verschwinden müßte“ , erläutert Marcy. „Nun wissen wir: Jupiter ist nicht der größte Planet, den die Natur formen kann.“ „Unsere Stichprobe ist freilich noch lange nicht repräsentativ, sondern spiegelt unsere methodischen Grenzen wider“, ergänzt Latham. „Für den Nachweis masseärmerer Planeten in größeren Orbits sind noch viele Beobachtungsjahre und eine Verfeinerung der Technik nötig. Die Entdeckung eines erdähnlichen Planeten wird noch eine Weile auf sich warten lassen.“ Der leichteste bekannte Planet hat die magische Jupitermassen-Grenze aber bereits unterschritten. Er umkreist den Stern HD 75289 und wiegt wohl nur 40 Prozent von Jupiter – das 1,4fache von Saturn. Entdeckt wurde er von Michel Mayor und seinen Mitarbeitern mit Hilfe des erst kürzlich eingeweihten Schweizer 1,2-Meter-Leonard-Euler-Teleskops auf der Europäischen Südsternwarte in Chile. Vor wenigen Monaten warteten Astronomen mit weiteren Erfolgsmeldungen auf. Zwei amerikanische Forschergruppen wiesen unabhängig voneinander den ersten Planeten-Transit nach: Der 153 Lichtjahre entfernte Stern HD 209458 im Sternbild Pegasus zeigte gut zwei Stunden lang einen Helligkeitsabfall um 1,6 Prozent. Den ersten Ruhm erntete Gregory W. Henry von der Tennessee State University, der von Marcy und Butler über die Bahndaten des neu entdeckten Planeten informiert wurde. „Der Transit geschah genau, wie er von Marcy vorausgesagt wurde“, freut sich Henry. Später stellte sich heraus, daß David Charbonneau vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und seine Kollegen schon zwei Monate früher zwei Transits bei HD 209458 mit einem 10-Zentimeter-Teleskop beobachtet hatten – ihr Glück zunächst aber gar nicht glauben wollten und deshalb mit einer Bekanntgabe zögerten. Nun haben beide Forschergruppen Seite an Seite ihre übereinstimmenden Ergebnisse in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. „Die Transits bestätigen, daß diese dunklen, schweren Himmelskörper wirklich Gasriesen sind“, sagt Charbonneau. Die Messungen erlaubten auch erstmals eine Bestimmung der Bahnneigung des Planeten (drei Grad) und somit eine exakte Berechnung seiner Masse. Ergebnis: Der Begleiter von HD 209458 wiegt das 1,27fache von Jupiter. Weil er seinem Stern extrem nahe steht – 0,05 AE, ein Achtel der Entfernung Merkurs von der Sonne –, ist er sehr heiß: rund 1700 Grad Celsius. Er hat sich deshalb stark aufgebläht und ist etwa 30 bis 60 Prozent größer als Jupiter. Das ermöglicht erstmals die Bestimmung der Dichte eines extrasolaren Planeten: Der Heiße Jupiter von HD 209458 könnte rein theoretisch in Wasser schwimmen – seine Dichte beträgt nur etwa 0,3 Gramm pro Kubikzentimeter. „Der Wissenszuwachs durch diese Messungen ist enorm“, freut sich David Latham, bei dem Charbonneau noch studiert. „Und das Beste ist: Schon Amateure können mit ihren Teleskopen und photoelektrischen Photometern oder elektronischen Detektoren selbst solche Messungen machen.“ Noch erstaunlicher ist die Entdeckung, die Andrew Collier Cameron und seine Mitarbeiter von der britischen University of St. Andrews unlängst mit dem 4,2-Meter-William-Herschel-Teleskop auf der Kanareninsel La Palma gelang: Sie erhaschten erstmals Licht von einem Planeten eines anderen Sterns, nämlich des Trabanten von Tau Bootis, der sich 50 Lichtjahre entfernt im Sternbild Bärenhüter befindet. Weil der Riesenplanet ein Zwanzigstel so nah bei Tau Bootis steht wie die Erde bei der Sonne, reflektiert er ungefähr 0,01 Prozent des Sternlichts. Da er sehr schnell um Tau Bootis kreist, ist es den Astronomen mit einigen technischen Tricks gelungen, im Sternspektrum Spuren des Planeten auszumachen: Aufgrund seiner höheren Geschwindigkeit sind die Spektrallinien seines Lichts stärker verschoben. Dabei mußten sich die Forscher durch 580 Messungen mit jeweils 2300 Spektrallinien kämpfen, aber schließlich entdeckten sie ein schwaches Signal. Daraus ließ sich die Bahnneigung des Planeten bestimmen (29 Grad) und seine Masse berechnen: die Achtfache von Jupiter. Die Daten ermöglichen es sogar, Durchmesser und Farbe des Planeten abzuschätzen: Er ist doppelt so groß wie Jupiter und bläulichgrün. Den bislang größten Triumph feierten die Planetenjäger vor einem Jahr. Damals gaben zwei amerikanische Astronomenteams unter der Leitung von Geoffrey Marcy von der San Francisco State University und Robert Noyes vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics gemeinsam bekannt, daß sie unabhängig voneinander zwei Planeten bei Y Andromedae entdeckt hatten. Schon 1997 waren Marcy und Butler bei dem 44 Lichtjahre entfernten Stern auf einen Trabanten gestoßen. Mit den zwei weiteren ist Y Andromedae der erste bekannte sonnenähnliche Stern, der von mehreren Planeten – alle sind Gasriesen – umrundet wird. „Die einzelnen Planeten, die wir bei anderen Sternen aufgespürt haben, waren glorreiche Entdeckungen. Aber Hinweise auf die Architektur anderer Planetensysteme haben noch gefehlt. Nun können wir erstmals andere Systeme mit unserem Sonnensystem vergleichen“, hebt Marcy die Bedeutung der Erkenntnis hervor. „ Bislang plagte uns die Frage, ob die einzelnen massereichen Körper um die Sterne wirklich Planeten sind. Aber nun, da wir drei bei einem Stern kennen, können wir uns nichts anderes mehr vorstellen.“ Auch Marcys Spektralmessungen der beiden Sterne HD 217107 und HD 187123, bei denen bereits jeweils ein Planet bekannt war, zeigen inzwischen Anzeichen für die Existenz von jeweils mindestens einem weiteren Trabanten mit einer Umlaufperiode von zwei bis drei Jahren. Debra Fischer, Mitglied in Marcys Team, ist enthusiastisch: „Es scheint, daß es von Planetensystemen in der Milchstraße nur so wimmelt.“ „Die neuen Entdeckungen beweisen, daß unser Sonnensystem kein Einzelfall ist“ , stimmt David Latham zu. „Allerdings sind die Eigenschaften der Planeten von Y Andromedae nicht mit der Existenz erdähnlichen Lebens dort vereinbar.“ Doch die Suche nach einer zweiten Erde hat erst begonnen. Bis die technischen Möglichkeiten dafür entwickelt sind, werden noch einige Jahre vergehen. Mit der nächsten und übernächsten Generation der Weltraumteleskope wollen die Planetenjäger erdgroße Himmelskörper bei anderen Sternen aufspüren und sogar fotografieren. „Die Entdeckungen der letzten Jahre haben ein neues Fenster zum Universum geöffnet“, sagt Stephen Lubow vom Space Telescope Science Institute in Baltimore. Jetzt kommt es darauf an, Ausschau zu halten, was sich dort draußen verbirgt. „Wir werden wohl noch viele Überraschungen erleben, die uns zum Umdenken zwingen“, ist Alan P. Boss von der Carnegie Institution in Washington überzeugt. „Die Welten sind grenzenlos an Zahl, teils unserer ähnlich, teils unähnlich“, hatte der griechische Philosoph Epikur schon im 4. Jahrhundert v. Chr. spekuliert und damit gegen das geozentrische Universum des Aristoteles opponiert, das die Kosmologie des Abendlandes 2000 Jahre lang dominieren sollte. Für Aristoteles stand die Erde im Mittelpunkt des Weltalls, umgeben von den Schalen der Gestirne. Epikur dagegen glaubte an einen Raum ohne Grenzen und an unendlich viele Welten, auch jenseits des beobachtbaren Universums – eine Vorstellung, für die der italienische Gelehrte Giordano Bruno noch im Jahr 1600 sein Leben auf dem Scheiterhaufen der Inquisition lassen mußte. Die Entwicklungen der letzten Jahre haben ihm recht gegeben. „Wir wissen jetzt, daß die Vielfalt von Planetensystemen viel eindrucksvoller ist, als wir es uns vorzustellen wagten“, resümmiert Alexander Wolszczan von der Pennsylvania State University, der als erster einen Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt hatte. „Früher oder später werden wir Planetensysteme wie das unsere finden. Es gibt keinen logischen Grund, warum wir einzigartig sein sollen.“ „Die Planeten im Universum sind sehr unterschiedlich – in ihren Eigenschaften wie in ihrer Entstehung“, zieht Marcy Bilanz. Epikurs Vision von der grenzenlosen Zahl anderer Welten, die sich von der unsrigen drastisch unterscheiden können, hat sich also bestätigt. Heute sind alle Astronomen bekennende Epikuräer. Und David Latham denkt bereits darüber nach, welche exotischen Früchte er wohl künftig für seine Vorträge wird einkaufen müssen. Waffen für die Planetenjagd Weil Planeten von anderen Sternen zu lichtschwach sind, um sie fotografieren zu können, haben Astronomen verschiedene indirekte Methoden entwickelt, um trotzdem eine Spur der fernen Himmelskörper zu erhaschen. Die Planeten verraten sich vor allem durch ihre Gravitation, die einen schwachen, aber meßbaren Einfluß auf ihren Stern ausübt. Astrometrie: Hochgenaue Bestimmungen der Positionen und Bewegungen naher Sterne am Himmel erlauben Rückschlüsse auf gravitative Störungen. Dies wurde schon vor vielen Jahrzehnten bei „Barnards Pfeilstern“ vermutet, doch bis heute konnten keine eindeutigen Resultate über das 6,5 Lichtjahre entfernte Gestirn erzielt werden. Immerhin haben astrometrische Messungen Hinweise auf die mögliche Präsenz zweier Planeten um den Zwergstern Lalande 21185 erbracht. Präzisionsmessungen der Radiosignale von Pulsaren: Objekte im Orbit um diese rotierenden Sternleichen stören deren Strahlungsimpulse. Der Effekt ist minimal, aber aufgrund der atomuhrgenauen Signalfolge exakt bestimmbar. Das sorgte 1992 für die erste gesicherte Entdeckung eines Planeten außerhalb des Sonnensystems. Inzwischen sind vier Planeten bei zwei Pulsaren bekannt, für drei weitere bei einem dritten gibt es Indizien. Aufgrund der energiereichen Strahlung des Pulsars muß es sich um sterile Gesteinswüsten handeln. Mikrolensing: Wenn eine unsichtbare Masse vor einem fernen Stern vorüberzieht, bündelt sie nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie kurz dessen Licht. Der minimale Helligkeitsanstieg dieses Gravitationslinseneffekts ist meßbar. Noch ist so keine allgemein akzeptierte Entdeckung gelungen. Aber vergangenen Dezember haben David P. Bennett von der University of Notre Dame, Indiana, und seine Mitarbeiter Hinweise auf einen Planeten mit 3,5facher Jupitermasse veröffentlicht, der um ein fernes Doppelsternsystem kreisen könnte. Transit-Photometrie: Bei näher gelegenen Sternen überwiegt ein anderer Effekt. Kreuzt der Planet die Sichtlinie zwischen Stern und Beobachter, verdunkelt er den Stern geringfügig. Der charakteristische Helligkeitsabfall kann relativ einfach nachgewiesen werden. Radialgeschwindigkeit: Messungen im Sternspektrum: Die Schwerkraft eines Planeten wirkt auf seinen Stern zu

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