Erdähnliche Welten in Sichtweite

Bald zappelt der erste erdähnliche Exoplanet im Netz der Planetenfischer - Europa hat dank CoRoT derzeit die Nase vorn

Gemach, Gemach. Im Gegensatz zu der Meldung der ESO vom April letzten Jahres, die viele Zeitungen, insbesondere Boulevard-Blätter – jegliche kritische Distanz missend - kolportierten, gibt es für eine „zweite Erde“ bislang nicht den geringsten Hinweis. Ohnehin kann eine „zweite Erde“ nicht existieren, ist doch unser Planet – nomen est omen - in den Weiten des Alls ebenso ein Unikat wie all seine planetaren Brüder. Bestenfalls in einem Paralleluniversum könnte ein Pendant der Erde driften … . Gleichwohl werden entweder in absehbarer Zeit oder spätestens in der nächsten Dekade die Planetenjäger mehr als nur einen erdähnlichen Exoplaneten aufspüren. Es ist alles nur eine Frage von guter Technik und ausreichender Zeit – und beides steht den hart arbeitenden Planetenjägern zur Verfügung, obwohl sie für ihre kreative und so wichtige Arbeit dringend noch mehr Geld bräuchten und verdienten.

Unser Heimatplanet – auf „Außenstehende“ bzw. außerirdische Planetenjäger wird er seinen Eindruck nicht verfehlen. Credit: NASA

Noch vor zwei Dekaden haben von Pessimismus befallene Astronomen die Existenz von Planeten außerhalb des Sonnensystems glattweg negiert. Da draußen, so lautete deren unerschütterliches Dogma, erfüllen bestenfalls Asteroiden, Sterne und Galaxien den Raum mit „materiellem“ Leben. Von lunaren, geschweige denn planetaren Sterntrabanten seien mitnichten irgendwelche Spuren erkennbar.

Credit: NASA

Inzwischen hat in den Annalen der Wissenschaftsgeschichte eine gegenteilige Erkenntnis publizistischen Niederschlag gefunden: In unserer Milchstraße – und damit auch in all den anderen 100 bis 500 Milliarden Galaxien „unseres“ Universums – haben Planeten allerorts den funkelnden Sternen den Rang abgelaufen. Sie sind mit großer Sicherheit stärker und zahlreicher vertreten als alle stellaren Gebilde zusammengenommen, die das All mit Licht durchfluten. Während also die notorischen Ignoranten einmal mehr eines Besseren belehrt wurden, sehen sich die Optimisten hingegen in ihren Prognosen bestärkt, wie auch Charles Lineweaver von der National University in Canberra (Australien). Er geht schon seit einigen Jahren davon aus, dass allein in der Galaxis mindestens 30 Milliarden erdähnliche Planeten das Licht ihrer Sonnen reflektieren.

Einsam und verloren – eine Galaxie, in der Milliarden von Planeten beheimatet sind … Credit: NASA/Dietmar Hager

Gewiss, die bis auf den heutigen Tag offiziell bestätigten extrasolaren Planeten sind – von wenigen Ausnahmen einmal abgesehen – in erster Linie immer noch höchst eigenwillige planetare Zeitgenossen, die mit unserem Heimatplaneten nur herzlich wenig gemein haben und aufgrund ihrer Eigenarten mitnichten biologisches Leben erlauben. Erfahrungsgemäß präsentieren sie sich als überdimensionierte heiße Gasriesen, deren Größe überwiegend zwischen Neptun und Jupiter changiert, mitunter sogar mehrere Jupitermassen aufweist. Nur wenige entpuppten sich bislang als masseärmer oder als potenzielle Horte des Lebens. Eine zweite Erde, zumindest ein erdähnlicher Planet, der diesem Attribut wirklich zur Ehre gereichte, war darunter bis dato nicht. Gleichwohl sind die rund um den Globus mit erdgebundenen Observatorien und Weltraumteleskopen aufgespürten 270 Planeten, die in 221 verschiedenen Planetensystemen [Stand: 5. Februar 2008] ansässig geworden sind, nur die Spitze der Spitze eines riesigen kosmischen Eisberges, der zunehmend an Größe gewinnt. Es werden immer mehr – und angesichts des immer sensibler operierenden Instrumentariums werden sie immer kleiner, masseärmer und damit immer erdähnlicher.

Der größte im planetaren Bunde des Sonnensystems ist nicht allein. Da draußen existieren noch zahlreiche andere Kollegen Jupiters, die sich in seiner „Gewichtsklasse“ bewegen. Credit: ESA

Wie massearm, davon konnte sich die Öffentlichkeit im April letzten Jahres selbst ein Bild machen, als die Europäische Südsternwarte ESO die Meldung lancierte, Wissenschaftler hätten den bisher kleinsten und masseärmsten extrasolaren Planeten aufgespürt. Tatsächlich lokalisierten diese unter Anwendung einer ausgefeilten Observationstaktik und -technik und einer speziellen Apparatur mit dem 3,6-Meter-Teleskop der ESO im Sternbild Waage (lat. libra) einen Exoplaneten mit der nur 5-fachen Erdmasse, der überdies nur den 1,5-fachen Erdradius hat. 20,5 Lichtjahre von der Erde entfernt, umrundet er seinen Heimatstern Gliese 581 einmal binnen 13 Tage. Obwohl er seine Muttersonne in einer Distanz von nur 10,7 Millionen Kilometern umkreist (dies ist 14-mal geringer als der Abstand Erde-Sonne), sollen auf dieser fernen Welt Temperaturen zwischen 0 und 40 Grad Celsius herrschen. Flüssiges Wasser wäre auf dieser Welt theoretisch denkbar, da der Planet in einer habitablen Zone läge und daher flüssiges Wasser halten könne. So jedenfalls die Verlautbarung der ESO.

Heute zählt Gliese 581c zwar immer noch zu den kleinsten respektive masseärmsten Exoplaneten, aber von einer „zweiten Erde“, einer „Supererde“ (hier stellt sich die Frage, was eine „Supererde“ überhaupt sein soll), wie dies viele Zeitungen noch vor einem halben Jahr wortgewaltig kolportierten, kann nicht mehr im Geringsten die Rede sein, nicht zuletzt deshalb, da Gliese 581c einen so genannten Roten Zwergstern vom Typ M umkreist. Derlei Sterne sind äußerst langlebige (je nach Masse werden sie bis zu 50 Billionen Jahre alt), sehr licht- und massearme Sterne, die schätzungsweise mehr als 70 Prozent aller stellaren Gebilde in der Milchstraße stellen. Im Schnitt ist diese Sternklasse weitaus kleiner, kälter und leuchtet durchschnittlich 50 Mal schwächer als etwa Sterne vom Typ unserer Sonne. Mittlerweile herrscht Einigkeit darüber, dass der vermeintliche erdähnliche Planet um Gliese 581 sich bestenfalls am inneren Rand der habitablen Zone befindet und seiner Sonne viel zu nahe ist, weshalb es auf ihm extrem heiß sein dürfte, zu heiß für die Ausbildung biologischer Lebensformen, so wie wir sie kennen und schätzen.

Die Erde liegt als einziger Planet unseres Sonnensystems exakt in einer habitablen Zone. Dennoch könnten biologische Lebensformen auch außerhalb dieser Region eine Nische gefunden haben. Credit: NASA

Während Gliese 581c also seinen Status als erdähnlichen Planeten vollends eingebüßt hat, richtete sich die Aufmerksamkeit der Astronomen unlängst verstärkt auf seinen planetaren Bruder, der zur selben Zeit entdeckt wurde. Gliese 581d, so der Name des Planeten mit der achtfachen Erdmasse, umrundet seine Sonne binnen 84 Tagen einmal. Bereits im Juli 2007 kristallisierte sich heraus, dass Gliese 581d ein heißer Kandidat für Leben sein könnte.

Credit: ESO

Gliese 581d dreht sich – genau wie unser Mond um unsere Erde – während eines Orbits exakt einmal um die eigene Achse und zeigt seinem Mutterstern immer dieselbe Seite, was zur Folge hat, dass auf einer Seite des Planeten immer Nacht und damit klirrende Kälte, auf der anderen indes fortwährend Tag und ergo permanente Hitze das Klima prägen. Mit anderen Worten: Nur in jenen Übergangszonen zwischen „Tag“ und „Nacht“ könnte sich Leben ausgebildet haben. Ungeachtet seiner acht Erdmassen könnte Gliese 581d erdähnlicher sein und lebensfreundlichere Bedingungen aufweisen als die vermeintliche „Supererde“, die – wie inzwischen allgemein akzeptiert – nicht den Status erdähnlich verdient, obgleich Gliese 581c durchaus eine habitable Welt sein könnte.

Credit: NASA/David A. Aguilar (CfA)

Wenn es einem Teleskop vorbehalten ist, wenn es je eine Sonde verdient hat, den ersten echten erdähnlichen Planeten zu entdecken, dann ist dies CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits). Das Weltraumteleskop zieht seit dem 27. Dezember 2006 in einem polaren Orbit in 826 Kilometer Höhe seine Kreise und nahm seinen Dienst offiziell am 3. Februar 2007 auf. Von seiner Erdumlaufbahn starrt der High-Tech-Späher als Erster seiner Art gezielt und systematisch nach extrasolaren Planeten, die etwas massereicher als die Erde sind.

Am 27.12.2006 um 8:23 Uhr Ortszeit bzw. 15:23 Uhr MEZ startete CoRoT ins All. Bild: CNES/AAS/Starsem

Der mit einem 27-Zentimeter-Spiegel bestückte 4,20 Meter hohe und 670 Kilogramm schwere ESA-Satellit ist derart sensibel und effektiv, dass es sogar einen Exoplaneten von der doppelten Masse der Erde noch aufspüren könnte. Die Präzision der vier CCD-Detektoren (Spektralbereich von 370 bis 950 nm ) von CoRoT ist nach Ansicht des österreichischen Astrophysikers Werner Wolfgang Weiss derzeit konkurrenzlos: „Eine Mücke könnte an einer Flutlichtanlage vorbeifliegen, und CoRoT würde die auftretende Helligkeitsschwankung aus über 800 Kilometer Entfernung messen.“ Um einen Himmelskörper mit wenigen Erdradien ausfindig zu machen, braucht CoRoT gleichwohl viel Glück, operiert der Späher doch auf der Basis der Transit-Methode, bei der Forscher die Helligkeitsschwankungen eines Sterns messen, die von vorbeiziehenden Planeten hervorgerufen werden.

Der Transit des ersten von CoRoT entdeckten extrasolaren Planeten (Bild: CNES). Dieser Planet wurde entdeckt, weil er immer wieder vor seinem Stern vorbeizieht und ihn dabei kurzfristig verdunkelt. Die Abnahme der Sternhelligkeit ist deutlich zu sehen. Bild: CNES

Leider ereignen sich Transits, also Durchgänge von Planeten vor der hellen Scheibe ihres Muttersterns, statistisch gesehen nur selten, sodass Erfolge nur über die Tugenden Geduld und Beharrlichkeit erzielt werden können. Und wie bereits erwähnt, müssen die Planetenjäger den unbekannten Faktor Glück immer wieder strapazieren. Denn schließlich lassen sich Planeten via Transit nur aufspüren, wenn aus der Perspektive des Beobachters der Sterntrabant zwischen Teleskop und extrasolarer Sonne steht und die Planetenbahn nahezu senkrecht zur Himmelsebene liegt. Nur dann kann das geringfügig abgeschwächte stellare Licht gemessen und der unsichtbare Planet indirekt „sichtbar“ gemacht werden, wobei die extrem geringen Schwankungen nur schwer zu berechnen sind. Dennoch können die Wissenschaftler aus der Intensität und Dauer dieser Schwankungen auf die Größe und Umlaufbahn des Planeten schließen.

Um sicher zu gehen, dass der Satellit, den Vibrationen beim Start Stand halten kann, wurde CoRoT schon im Vorfeld kräftig durchgeschüttelt. Bildnachweis: CNES

Kein Wunder also, dass CoRoTS Erfolgsquote mit bisher zwei bestätigten Exoplaneten sich auf den ersten Blick bescheiden ausnimmt. In Wahrheit aber befindet sich die Sonde selbst in einem tadellosen Zustand und operiert fehlerfrei und sehr erfolgreich. Dass die CoRoT-Wissenschaftler derweil bislang nur zwei Entdeckungen lancierten, hat einen wissenschaftlich fundierten Hintergrund. Denn im Gegensatz zur NASA, die eine offensive Pressearbeit betreibt und für gewöhnlich mit Sensationsmeldungen schnell aufwartet, üben sich die ESA, die CNES (französische Raumfahrtagentur) und das DLR mit Absicht in eleganter Zurückhaltung, um Missverständnisse und unnötige Fehler zu vermeiden.

CoRoTS erstes Licht erfolgte in der Nacht vom 17. auf den 18. Januar 2007 Credit: ESA

Dabei hat die weltweit verstreute Planetenjägergemeinde aus Fehlern früherer Tage konsequent gelernt. Vorbei sind die Zeiten, da so manch übereifriger Forscher auf die Schnelle eine Neuentdeckung eines Exoplaneten noch kolportieren konnte, ohne sein Ergebnis zuvor mehrfach gegenzuchecken oder von einer unabhängigen bzw. alternativen Messmethode überprüfen zu lassen. In dieser Hinsicht sind beim CoRoT-Forscherteam die Vorgaben sehr streng. Registriert der europäische Satellit etwa einen Transit, muss eine zweite Quelle, besser gesagt ein auf dem Prinzip der Radialgeschwindigkeitsmethode arbeitendes Teleskop, den Status des vermeintlichen Planeten bestätigen.

Bei dieser Technik richten die Planetenjäger ihre Aufmerksamkeit primär auf die Gravitationskraft des vermuteten Planeten und der daraus resultierenden kleinen Bewegung seines Zentralsterns. Beginnt der observierte Stern zu eiern, lassen sich seine rhythmischen Verschiebungen anhand der Änderung der Radialgeschwindigkeit feststellen. Erst nach einer solchen Messung schafft der neue Planet den Sprung in die „europäische“ Enzyklopädie der extrasolaren Planeten, die Jean Schneider katalogisiert und verwaltet.

CoRoT sucht primär nach massearmen Exoplaneten, erkundet aber auch das Innere von Sternen mit Hilfe von astroseismologischen Messmethoden. Credit: CNES 2006 - D. Ducros

Der Tatsache Rechnung tragend, dass Transits eher ein seltenes Phänomen sind, tastet CoRoT daher viele Sterne gleichzeitig ab. Für jeweils etwa fünf Monate visiert das satelliteneigene 27-Zentimeter-Teleskop insgesamt fünf Himmelsfelder an und überwacht dabei gleichzeitig etwa 12.000 Sterne, deren Licht mit einem Prisma in mehrere Farben zerlegt wird, um Bedeckungen durch Planeten besser von anderen Helligkeitsschwankungen unterscheiden zu können. Ob CoRoT jemals einen erdähnlichen Planeten entdeckt, hängt von vielen Faktoren ab, die nicht vorhersehbar sind; dennoch sprüht der schwedische Astrophysiker und ESA-Projektwissenschaftler der CoRoT-Mission Malcolm Fridlund vor Optimismus. „CoRoT wird das erste Abbild eines erdähnlichen Planeten liefern, der um einen anderen Heimatstern kreist.“

CoRoT hat fünf Monate lang ein Sternfeld mit mehr als 12.000 Sternen im Blick. Nach der geplanten Missionsdauer von drei Jahren wird CoRoT somit insgesamt 60.000 Sterne mit scheinbaren Helligkeiten zwischen 11. und 16. Größenordnung beobachtet haben. Bild: CNES

Dass die Wissenschaftler des CoRoT-Teams nicht jede Entdeckung eines Exoplaneten umgehend veröffentlichten können, liegt in der Natur der Transitmethode. Würde CoRoT einen bislang unbekannten Planeten lokalisieren, der sich gerade vor seinem Heimatstern die Blöße gibt und dessen Licht geringfügig abgeschwächt ist, reichte dieser einmalige Transit bei weitem nicht aus, um Nachfolgebeobachtungen einzuleiten. „Um als ‚Planetenkandidat’ zu zählen, muss ein möglicher Transit immer mindestens dreimal erfolgen. Für weiter entfernte Planeten muss man also entsprechend lange warten“, erklärt Prof. Dr. Heike Rauer, Projektleiterin der CoRoT-Beteiligung des DLR und Wissenschaftlerin am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. „Es wird von den Kapazitäten der Teleskope am Boden abhängen, ob wir auch dazu über gehen können, Kandidaten schon nach einem oder zwei Transits auf Radialgeschwindigkeitsvariationen zu untersuchen.“ Der Faktor „Zeit“ gewinnt auch durch die Umlaufbahn CoRoTS ein besonderes Gewicht, da die Sonde infolge des polaren Erdorbits nur Planeten mit maximal 50 Tagen Umlaufperiode auskundschaften kann. Mit anderen Worten. Um insgesamt drei Ereignisse zu registrieren, also summa summarum drei Transits aufzuzeichnen, müssen die Forscher ein halbes Jahr Zeit investieren. Und Zeit kostet Geld … auch in der Exoplanetenforschung. Erst danach werden die erdgebundenen Teleskope auf den Plan gerufen, wie etwa das 3,6-Meter-ESO-Observatorium in La Silla (Chile) oder das BEST-Teleskop am Observatoire de Haute-Provence (OHP) in Frankreich. Hierzu Heike Rauer gegenüber Telepolis:

Bei dieser Art Nachfolgebeobachtung geht es darum, das Signal von Planetenkandidaten photometrisch zu bestätigen. Dabei möchten wir zunächst einmal sehen, ob es wirklich der Stern ist, der einen Transit in den Lichtkurven zeigt, und nicht etwa ein am Himmel eng daneben stehender Doppelstern. Das hilft Zeit und Aufwand bei den Radialgeschwindigkeitsmessungen zu sparen.

Ursprünglich noch als Mission mit acht Teleskopen angedacht, musste Darwin den finanziellen Engpässen der ESA Tribut zollen. Es startet aller Wahrscheinlichkeit frühestens ab 2015 mit insgesamt vier Satelliten. Credit: ESA

CoRoTS Mission muss in größerem Zusammenhang gesehen werden. Zu guter Letzt soll sie nämlich als Pfadfindermission leistungsstärkeren Weltraumteleskopen den Weg ins All ebnen. Denn um Planeten von der Größe der Erde in bewohnbaren Zonen zu finden, werden nach Meinung vieler Forscher noch sensiblere Teleskope und längere Beobachtungszeiten vonnöten sein. Das NASA-Hochleistungsteleskop Kepler, das mit seinem 1,4 Meter großen Spiegel mehrere Jahre lang einen bestimmten Himmelsausschnitt auf erdähnliche Planeten hin absuchen soll, erfüllt diese Bedingungen.

Noch im Bau befindlich, aber bereits im Februar soll der NASA-Satellit Kepler in der Erdumlaufbahn Position beziehen, um erdähnliche und in puncto Masse noch kleinere Planeten ausfindig zu machen. Mit sehr großer Wahrscheinlichkeit wird diese Mission frühstens Ende 2009 starten … Credit: NASA

Und sechs Jahre später wagt die ambitionierte ESA-Mission Darwin den nächsten Schritt. Sie soll ursprünglich aus acht Satelliten bestehen, existiert seit einiger Zeit aber auf dem Papier nur noch als abgespeckte Version mit insgesamt vier Elementen.

Vorausgesetzt, dass Darwin an Bord einer Ariane-V oder Soyuz-Fregat-Rakete den Sprung zum so genannten Lagrange-Punkt L 2 unbeschadet bewältigt, der 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt an einem Operationspunkt liegt, an dem sich die Gravitationskräfte die Waage halten, so dass Raumschiffe im Raum quasi still stehen, werden die vier Satelliten fraglos etliche erdähnliche Planeten lokalisieren. Schließlich vermag das Interferometrie-Superteleskop die eingefangene Strahlung dergestalt zu überlagern, dass die Bildschärfe eines 50 Meter großen Fernrohr generiert wird, was Darwin wiederum dazu befähigt, nicht allein erdähnliche Planeten aufzuspüren, sondern auch in deren Atmosphären nach chemischen Spuren von Leben zu suchen.

Lagrange-Punkt L 2 Credit: ESA

Ausgestattet mit vier einzelnen Raumfahrzeugen, von denen drei jeweils mit einem Infrarotteleskop mit einem Hauptspiegeldurchmesser von drei bis vier Metern bestückt sind und die Nummer vier das Licht des Trios bündeln und zugleich als Zentralstation den Kontakt mit dem blauen Planeten aufrecht erhalten soll, werden die Signale der drei Teleskope gemäß dem Prinzip des Nulling-Interferometers kombiniert.

Dank der dadurch gewonnenen Sensibilität des Teleskops können die Astronomen sogar die chemische Zusammensetzung ferner Atmosphären von „erdnahen“ Exoplaneten studieren. Die gemeinsam operierenden teleskopeigenen Infrarot-Spektrographen machen es möglich. Sie treten aber erst in Aktion, wenn Darwin einen vielversprechenden Kandidaten aufgespürt hat.

Mittels einer Spektralanalyse, bei der das von Planeten reflektierte Licht in seine verschiedenen farblichen Bestandteile zerlegt wird, werten die Detektoren im Infrarotlicht die Temperatur und chemische Zusammensetzung der jeweiligen Planeten-Atmosphäre aus. Da jedes chemische Element einen unverwechselbaren Fingerabdruck im Lichtspektrum hinterlässt, verraten sich dabei auch alle Biosignaturen: also alles, was indirekt auf Leben hindeutet.

Was außerirdische Planetenjäger bei uns an Biosignaturen „sähen“ … Credit: ESA

Wenn die teleskopeigenen Spektrographen der Darwin-Flotte das von den Planeten reflektierte Licht in seine farblichen Bestandteile zerlegen und dabei Gase wie Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid oder Methan fänden, wäre dies ein starkes Indiz auf die Anwesenheit von Wasser und biologischer Aktivität auf der fernen Welt. Dadurch können sie Temperatur und chemische Zusammensetzung der Exoatmosphären ermitteln.

Fänden die Forscher auf einem erdähnlichen, in einer habitablen Zone gelegenen Planeten etwa Sauerstoff, der auf der Erde als Nebenprodukt der Fotosynthese entsteht, und detektierten sie dort auch noch Ozon, eine andere Form des reaktionsfreudigen Sauerstoffs, wäre dies zwar ein starkes Indiz für Leben, brächte aber noch keine absolute Sicherheit, weil die Forscher viele nicht-biologische Prozesse kennen, die zu einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre führen können. Fraglos wäre aber die Entdeckung von Ozon schon einmal ein Schritt in die richtige Richtung.

Die Venus. Höllischer Nachbar, auf dem mit großer Wahrscheinlichkeit kein biologisches Leben existiert. Einige Forscher glauben dennoch, dass in der Venus-Atmosphäre in einer Höhe von 50 Kilometern Mikroben leben könnten. Credit: ESA

Gleichwohl dürfte das beste Indiz für extraterrestrisches Leben die Anwesenheit von Sauerstoff zusammen mit Methan oder Kohlendioxid sein, weil diese Kombination auch in der Erdatmosphäre häufig anzutreffen ist. Es wäre letzten Endes aber nur ein Indizienbeweis – nicht mehr, aber auch weniger. Wer es jedoch genau wissen möchte, muss schon die Probe aus Exempel machen und dort hinfliegen.

Sehenswertes (leider in schlechter Auflösung) Video über CoRoT

Wie die ESA Leben auf Exoplaneten nachweisen will: Eine interessante ESA-Animation.

(Harald Zaun)

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