Abenteuer Astronomie

Am 6. Oktober 1995 wurde bekannt, was schon lange vermutet, jedoch bis dahin nicht bewiesen werden konnte: Zwei Schweizer Astonomen gaben die Entdeckung des ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems bekannt. Wohl kaum ein weiteres Forschungsgebiet erlebte seither eine ähnlich rasante Dynamik wie die Suche nach Exoplaneten. Sowohl in Methodik, als auch im Leistungsvermögen der zur Verfügung stehenden Instrumente wurden in den letzten zwei Jahrzehnten unaufhaltsam Fortschritte und Verbesserungen erzielt. Aktuell sind mehr als 2000 Exoplaneten bekannt, über 4700 Kandidaten warten auf ihre Bestätigung. Die Mehrzahl unter ihnen gehört den Klassen der „heißen Jupiter“ bzw. der  „Super Erden“ oder weiteren Klassifizierungen an, für die es keine Entsprechungen in unserem Sonnensystem gibt.

Mit dem Nachweis eines neu aufgefundenen Himmelskörpers alleine ist seine Geschichte allerdings bei Weitem noch nicht erzählt oder beschrieben. Oft schließen sich die wirklich entscheidenden Fragestellungen erst im weiteren Verlauf an. Handelt es sich bei dem Fund beispielsweise um einen Gesteinsplaneten wie die Erde oder um einen Gasplaneten wie Jupiter? Ist der Planet glühend heiß oder bitterkalt? Woraus besteht seine Atmosphäre? Enthält sie Moleküle wie Wasser, Methan oder Sauerstoff in ungewöhnlichen Verhältnissen? Lassen die gängigen Modelle zur Planetenentstehung einen solchen Fund am vorgefundenen Ort seines Sternsystems überhaupt zu?

Methodisch bedingt liefern die meisten Suchmethoden wenig mehr über das gefundene Objekt als seine Masse, Größe oder Umlaufbahn. Lediglich die Spektroskopie ist in der Lage, zuverlässige Antworten bezüglich der Tatsachen zu liefern, die über die Fragestellung nach der Masse oder der Umlaufbahn des Himmelskörpers hinausreichen. Bei der Spektroskopie wird (elektromagnetische) Strahlung nach bestimmten Charakteristika  zerlegt. Sie kann dazu genutzt werden,   um die Eigenschaften der Strahlung selbst, oder die Eigenschaften der Strahlenquelle, respektive die Eigenschaften eines zwischen der Quelle und dem Spektrometer befindlichen Mediums (vorstellbar wäre eine Planetenatmosphäre), zu studieren. Mit anderen Worten: Die Wellenlängen des Lichts, welches entweder vom Planeten selber reflektiert wird, oder durch seine Atmosphäre wandert, so er eine besitzt, tragen charakteristische Muster jedes Elements oder jeder chemischen Verbindung der fernen Welt mit sich.

Das Energie- oder Wellenlängenspektrum der Wärmestrahlung zeichnet sich beispielsweise durch ein kontinuierliches Muster mit einem breiten Maximum aus, dessen Lage die Temperatur des strahlenden Körpers darstellt. Hingegen zeigt das von den Atomen einer hypothetischen Exoatmosphäre absorbierte Licht ein Linienspektrum, mit dessen Hilfe die chemischen Elemente, zu denen die Atome gehören, eindeutig zu identifizieren sind. Doch die konventionelle Spektroskopie erforderte einen klaren Blick auf das Objekt – und der ist bei Exoplaneten selten verfügbar. In den vergangenen Jahren haben die Beobachter jedoch Fortschritte gemacht.

Eine neue Generation dieser speziellen Instrumente, der Spektrometer, sowie verfeinerte Analysemethoden machen es möglich. Eine Erweiterung der Transitspektroskopie stellt momentan das Maximum dessen dar, was auf diesem Forschungszweig mit derzeitiger Technik zu leisten ist: Das vom Planeten reflektierte Licht zu messen. Dazu wird ein System beobachtet, dessen Planet sich bei der Untersuchung nicht vor dem Stern, sondern auf der anderen Seite seiner Umlaufbahn befindet. In diesem Fall ist von der Erde aus seine Tagseite vollständig sichtbar. Zwar lässt sich der Planet nicht als separates Objekt ausmachen, aber eine Kombination aus dem Spektrum des Sterns und dem Spektrum des Planeten kann gewonnen werden. Zieht dann der Planet von der Erde aus gesehen hinter dem Stern vorüber, bleibt nur das Spektrum des Sterns übrig. Speziell für die Spektroskopie von Exoplaneten sind zwei – allerdings noch nicht endgültig bewilligte – Missionen vorgesehen. Das 2,4 Meter große Wide Field Infrared Survey Telescope der NASA, das Mitte des nächsten Jahrzehnts starten könnte, dient zwar vorrangig der Beantwortung kosmologischer Fragen. Doch nebenher könnte es nach Einschätzung von Experten 2600 Exoplaneten aufspüren und untersuchen. Es könnte Bilder jupiterähnliche Planeten bei nahen Sternen liefern. Kleinere, kältere Himmelskörper wie Pluto oder gar erdähnliche Planeten lägen jedoch außerhalb seiner Möglichkeiten. Eine weitere Mission ist ARIEL, der Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey, einer von drei Kandidaten für eine ESA-Mission mittlerer Größe für das Jahr 2026. Das 1-Meter-Teleskop wäre auf die Transitspektroskopie spezialisiert sowie auf die Suche nach Planeten mit Temperaturen oberhalb von 230 Grad Celsius.

Lars-C. Depka

Geschichte der Exoplaneten