"Kepler" und 3277 Planeten plus X in der Warteschleife

Bild: NASA Ames/JPL-Caltech

NASA will Weltraumteleskop "Kepler" reaktivieren und steht vor einem Datenberg

Im europäischen Exoplanetenkatalog sind bislang 921 bestätigte Kandidaten aufgenommen, im amerikanischen derweil nur 881. Peu à peu werden es dank der leistungsstarken bodengestützten Teleskope immer mehr. Obwohl das NASA-Weltraumteleskop Kepler derweil seinen Geist aufgegeben hat und Wissenschaftler sowie Ingenieure versuchen, es wiederzubeleben, steht die große Ernte noch bevor. Dies betrifft nicht allein die noch unbestätigten 3277 Kepler-Kandidaten. Vielmehr gilt dies für den großen unbekannten, von Kepler selbst angehäuften Datenberg, dessen Abtragung noch mindestens zwei Jahre dauern wird. Wie viele erdähnliche Welten in bewohnbaren Zonen hat Kepler noch in petto?

Kein Geringerer als der deutsche Mathematiker, Naturphilosoph, Astronom, Astrologe und Theologe Johannes Kepler (1571-1630) verfasste als erster Wissenschaftler der Neuzeit einen mit Science-Fiction-ähnlichen Grundelementen bestückten Roman. Es war nachweislich der erste überlieferte literarische Versuch eines Autors, das Äußere von nichtmenschlichen Wesen konkret zu beschreiben.

Kepler, der selbst stark unter dem Einfluss der antiken Autoren stand - er übersetzte beispielsweise die von dem Griechen Lukian von Samosata (120-180 n. Chr.) stammende Schrift "Vera historia" ins Lateinische - erzählt in seiner Schrift "Somnium, seu opus posthumum de astronomia lunari" ("Traum oder posthumes Werk über die Astronomie des Mondes") von einer fiktiven Reise zum Mond.

Johannes Kepler. Das Gemälde wurde im Jahr 1610 angefertigt.

In der erst 1634 von seinem Sohn Ludwig posthum veröffentlichten Lektüre schickt Kepler seine Hauptfigur in Ermangelung eines hochtechnisierten Antriebssystems erwartungsgemäß nicht mit einem Raumschiff, sondern auf traumwandlerische Weise zum Erdtrabanten.

Sein Held träumt sich sozusagen zum Mond und begegnet dort den Privolvanern, lunaren schlangenförmigen Höhlenbewohnern, die zwar ungeheuer groß, dafür aber ausgesprochen kurzlebig sind. "Scharenweise durchqueren die Mondgeschöpfe während eines einzigen ihrer Tage ihre ganze Welt, indem sie teils zu Fuß, mit Beinen ausgerüstet, die länger sind als die unserer Kamele, teils mit Flügeln, teils zu Schiff den zurückweichenden Wassern folgen."

Kurzlebig waren gleichwohl nicht nur Keplers fiktive Außerirdische - kurzlebiger als erhofft war auch Keplers reale Suche nach den außerirdischen Welten selbst. Denn das seit Anfang März 2009 im Orbit treibende und nach dem deutschen Universalgelehrten benannte NASA-Weltraumteleskop, das ursprünglich bis zum Jahr 2016 mehr als 160.000 Sternsysteme nach möglichst erdähnlichen Exoplaneten durchforsten sollte, hat allen Anschein seine Arbeit für immer eingestellt.

Zwei der vier Gyroskope (blaues Gebilde im Bild links unten) sind bei Kepler ausgefallen. Bild: NASA

Als die NASA im Juli 2012 lancierte, dass eines der vier Trägheitsräder seinen Geist aufgegeben hatte und abgeschaltet werden musste, war dieser Verlust noch halbwegs zu verschmerzen. Schließlich benötigen die NASA-Ingenieure "nur" drei funktionstüchtige Gyroskope, um das Weltraumfernrohr auf die ausgewählte Sternregion millimetergenau auszurichten, die eingenommene Position zu halten und die fernen Sonnen nicht aus dem Blickfeld zu verlieren. Während die drei Räder permanent in Aktion waren, ruhte das vierte davon als Backup, als stille Reserve.

Ein halbes Jahr später verabschiedete sich jedoch ein weiteres Schwungrad. Zwar gelang es den Ingenieuren, das Instrument durch Ein- und Ausschalten wieder in den Betriebsmodus zu versetzen. Doch am 11. Mai dieses Jahres quittierte dasselbe Rad den Dienst ((http://kepler.nasa.gov/news/index.cfm?FuseAction=ShowNews&NewsID=272) endgültig. Nachdem Kepler seine Bewegungsfreiheit vollends eingebüßt hatte, aktivierte das Raumfahrzeug den Sicherheitsmodus und stellte den wissenschaftlichen Betrieb sowie alle weiteren geplanten Observationen partout ein.

Um den Verlust der für die Stabilisierung und Positionierung des Weltraumobservatoriums so unerlässlichen Gyroskope halbwegs aufzufangen, nutzten die verantwortlichen NASA-Ingenieure bereits im Mai die sondeneigenen Lageregelungsdüsen. Mit ihnen konnten sie das Solarpanel des 1039 Kilogramm schweren Raumgefährts frontal zur Sonne ausrichten.

Eines der vier "Reactions Wheels", die die Lage und Position der Sonde stabilisieren. Bild: NASA

So lange der Treibstoff für die Düsen reicht, kann Kepler in dieser Position seine Batterien am effizientesten aufladen und die Kommunikation mit dem Deep Space Network (DSN) der NASA aufrechterhalten.

Seit Mai schlugen alle Versuche fehl, das Teleskop mithilfe der verbliebenden Kreiselinstrumente und den kleinen Steuerdüsen wieder auszurichten. Mal zündeten die Ingenieure die Triebwerke sanft, ein anderes Mal stärker, mal schalteten sie das Gyroskop in verschiedenen Abständen ein und aus.

Auch wenn die Erfolgsaussichten bescheidener Natur sind, wenigstens eines der Gyroskope wieder in Gang zu bringen, glauben die Forscher trotzdem an eine Restchance. "Es gibt berechtigte Hoffnung, dass wir das Problem entschärfen können", so der Missionsspezialist Bill Borucki vom NASA Ames Research Center Moffett Field (Kalifornien). "Ich denke nicht, dass ich hier ein Pessimist sein muss."

Dass Kepler im Gegensatz zum Hubble-Weltraumteleskop, das dereinst im Orbit insgesamt fünfmal repariert und modifiziert wurde, nicht mit einer Rettungs- und Wartungsmission rechnen kann, liegt in der Natur der Entfernung. Immerhin driftet Kepler derweil im Windschatten der Erde und umkreist die Sonne - in einer Entfernung von 64 Millionen Kilometer zur Erde. Fernab aller irdischen Störeinflüsse erhält die Sonde auf diese Weise eine ideale Sicht auf alle von ihr angepeilten Sterne.

Kein Weltraumspaziergang, sondern ein harter, schweißtreibender Außeneinsatz. John Grunsfeld während seiner letzten Hubble-Reparatur im Jahr 2009. Bild: NASA

Selbst wenn das Observatorium im Erdorbit wäre, würde eine bemannte Service-Mission keinen Sinn machen, da ein geeignetes Trägersystem für solch eine diffizile Operation schlichtweg fehlt. "Unglücklicherweise befindet sich das Teleskop nicht an einem Ort, zu dem ich fliegen und wo ich es reparieren könnte", witzelte Grunsfeld noch vor drei Monaten auf einer Pressekonferenz.

Dennoch übt sich der NASA-Ex-Astronaut und Wissenschaftsdirektor, der 1999, 2002 und 2009 selbst drei Hubble-Wartungs-Missionen durchführte, desgleichen in Optimismus: "Wir schauen uns die Daten sehr sorgfältig an, um zu sehen, ob es möglich ist, Kepler wieder in den Wissenschaftsmodus zu setzen. Ich würde Kepler noch nicht abschreiben."

Fakt ist: Obwohl die US-Raumfahrtbehörde konzediert, dass eine Wiederherstellung der vollen Leistungsfähigkeit des orbitalen Fernrohrs unmöglich ist, arbeiten NASA- und Kepler-Wissenschaftler seit wenigen Tagen wieder beflissen daran, ihre schläfrige Sonde aufzuwecken.

Bereits am 3. Juli gab die NASA bekannt, dass man in der nächsten oder übernächsten Woche nicht nur den Kepler-Bordcomputer mit diversen Befehlen füttern, sondern auch ein Update der Software vornehmen werde. Laut der jüngsten Kepler-Meldung startete die NASA bereits am Donnerstag (18. Juli) den ersten Testlauf am vierten Rad der Sonde. Am 22. oder 25. Juli soll das zweite Rad reanimiert werden. Die Resultate dieser Testläufe lägen bis Ende des Monats vor, so die US-Raumfahrtbehörde.

Wie das US-Internet-Magazin Space.com berichtet, hat der Kepler-Spezialist Jon Jenkins vom SETI-Institut in Mountain View in Kalifornien (USA) in dem Vortrag "The Once and Future Kepler" am 11. Juni die geplante Vorgehensweise der NASA näher expliziert. Danach sei es das Ziel, wenigstens eines der Räder aus seinem Tiefschlaf zu holen. In diesem Fall könnte die Sonde ihren operativen Betrieb wieder aufnehmen - versehen mit einem anderen Auftrag. Gelingt nämlich die Neuprogrammierung und somit die Aktivierung eines der ausgefallenen Kepler-Räder, ändert sich Keplers primäre Zielvorgabe. Dann soll die schwebende Sternwarte nicht mehr singuläre Sterne oder ausgewählte Sternregionen anvisieren, sondern größere Himmelsabschnitte abtasten und analysieren.

Kepler fokussierte sich bei seinem Scan der 160.000 Sternsysteme auf relativ erdnahe Sonnen - in einem Radius von 500 bis maximal 3000 Lichtjahren. Bild: NASA

Wie dies später im Einzelnen über die Bühne gehen soll, bleibt vorerst noch völlig unklar. Derweil gibt sich nämlich die NASA in Bezug auf den aktuellen Status und die nahe Zukunft Keplers sehr wortkarg und hält sich mit detaillierteren Informationen zurück. Sechs Anfragen via E-Mail, darunter drei an Projektwissenschaftler und drei an Pressereferenten, blieben überraschenderweise unbeantwortet, obwohl US-Forscher derlei Anfragen in aller Regel mit Vorliebe auf elektronischem Weg beantworten.

Ob die NASA, die zumindest bei erfolgreichen Missionen vorbildliche Pressearbeit leistet, hier taktiert oder nicht oder sogar einem selbstauferlegten Teilembargo folgt, bleibt Spekulation.

Dies mag überraschen, da Keplers bisherige Erfolgsquote eigentlich höchst beeindruckend ist. Sein Primärziel, extrasolare Planeten auszuspähen, Gasplaneten (Hot Jupiters), große Gesteinsplaneten (Supererden) oder gar erdähnliche Welten zu finden, die im Idealfall im stellaren "Grüngürtel" beheimatet sind, erfüllte das orbitale Fernrohr mit Bravour (siehe weiter unten).

Keplers Effektivität speist sich nicht allein aus dem leistungsstarken, sensiblen 1,4 Meter großen Hauptspiegel, sondern ist auch auf das angewendete Photometrie-Verfahren bzw. auf die Transit-Technik zurückzuführen.

Hierbei misst die Sonde die Helligkeitsschwankungen eines ausgewählten Sterns. Kreuzt ein dort vorkommender extrasolarer Planet die Sichtlinie des observierten Muttersterns, registrieren die Astronomen für die Dauer des Transits einen Amplitudenabfall in der Lichtkurve. Je nach Masse und Form des jeweiligen vorbeiziehenden Objekts variieren die Helligkeitsschwankungen. Aus der Intensität und Dauer der dabei entstehenden periodischen Muster können die Forscher auf die Größe und Umlaufbahn des extrasolaren Planeten schließen.

Momentaufnahme vom Januar 2013. Inzwischen sind im Zuge der Auswertung weiterer Kepler-Daten mehr Kandidaten hinzugekommen. Bild: NASA

Die Transit-Technik kann aber nur dann greifen, wenn aus der Perspektive des Beobachters der Sterntrabant zwischen Teleskop und extrasolarer Sonne steht und die Planetenbahn nahezu senkrecht zur Himmelsebene liegt. Nur dann ist das geringfügig abgeschwächte stellare Licht messbar.

Derweil befinden sich sage und schreibe 3277 Kandidaten in der Warteschleife und hoffen sehnlichst, den Sprung in den extrasolaren Planetenkatalog zu schaffen. Unter ihnen sind mehr als 351 erdgroße, mehr als 816 Supererden und mehr als 202 Jupiter große Planeten. Kepler lokalisierte des Weiteren etliche Felsenplaneten in habitablen Zonen. Einen echten erdähnlichen, erdgroßen "bewohnbaren" Felsenplaneten hat Kepler bis jetzt noch nicht aus dem Datenfundus gezaubert.

Himmelskörper, die dem erlesenen Exoplaneten-Zirkel beitreten wollen, müssen zunächst einmal drei bestätigte Transits nachweisen. Das kann eine Zeitlang dauern. Kreiste beispielsweise ein erdähnlicher Planet um einen sonnenähnlichen Stern (mit der gleichen Orbitalgeschwindigkeit wie unser Planet) in einer Distanz von einer Astronomischen Einheit (AU), also im Abstand Erde-Sonne (150 Millionen Kilometer), müssten Astronomen für die erforderlichen drei Transits insgesamt drei Jahre Wartezeit einkalkulieren. Da jedoch viele der aufgespürten neuen Planeten für den Umlauf um ihr Muttergestirn weitaus länger als ein Erdjahr benötigen, ist Geduld eine gefragte Tugend und ein guter Ratgeber. Dies umso mehr, weil jeder Exoplanet in spe auch noch eine zweite Hürde nehmen muss. Hat nämlich ein solcher den Transitmarathon gemeistert, muss noch eine zweite Quelle, besser gesagt ein auf dem Prinzip der Radialgeschwindigkeits-Methode 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 amerikanische und europäische Enzyklopädie der extrasolaren Planeten.

Das Weltraumobservatorium Kepler verschlang bisher insgesamt 600 Millionen Dollar. Zusätzlich fallen für den operativen Betrieb der Sonde und die kontinuierliche Sammlung sowie Auswertung der Daten jährlich 20 Millionen Dollar Kosten an. Bild: NASA/Ames/JPL-Caltech

Das NASA-Fernrohr Kepler ebnete bislang 134 Planeten den Weg und Aufstieg in den planetaren Olymp. Die Erfahrungswerte der Astronomen lehren, dass zirka 90 Prozent der aktuellen 3277 Kandidaten damit rechnen dürfen, zu echten extrasolaren Planeten zu avancieren.

Während das NASA- und Keplerteam daran werkelt, wenigstens einem Trägheitsrad wieder Leben einzuhauchen und somit den Betrieb von Kepler auch für die nächsten Jahre zu sichern, läuft die Auswertung der bis auf den heutigen Tag erfassten Bit und Bytes auf Hochtouren, wie Jenkins bestätigt: "Wir haben bislang die gesammelten Daten von zwei Jahren durchsucht. Wir arbeiten uns jetzt durch die Daten des dritten Jahres durch", sagt Jenkins. "Ich glaube, dass uns dies mit Leichtigkeit noch weitere zwei bis drei Jahre beschäftigen wird."

Kepler habe während seiner aktiven Zeit eine Flut an Daten gesammelt, die nunmehr detailliert ausgewertet werden müssen. Hierbei gelte es vorrangig zu klären, wie viele erdähnliche Planeten Kepler in einer habitablen Zone gefunden hat. "Wir glauben, dass wir bereits jetzt schon genug Daten haben, um hierauf eine Antwort zu geben", sagt Jon Jenkins. "Aber wir werden weiterhin mit Nachdruck daran arbeiten, die Antworten zu erhalten, die wir brauchen."

Gesteinsplaneten, die ihren Heimatstern in relativer Nachbarschaft umkreisen, hat Kepler auch entdeckt. Bild: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

Für Bill Borucki versprechen die nächsten beiden Jahre sogar Verheißungsvolles:

Wir haben ausgezeichnetes Datenmaterial für zusätzliche zwei Jahre. Ich denke daher, dass die interessantesten und aufregendsten Entdeckungen in den nächsten beiden Jahren folgen werden. Die Mission ist noch nicht vorbei.

Die Information, dass Kepler sein eigentliches Missionsziel längst erreicht und einen erdähnlichen, erdgroßen Planeten in einer bewohnbaren Zone gefunden hat, ist nach Ansicht des Missionsspezialisten und Kenner der Kepler-Sternwarte, Steve Howell, zweifelslohne im Datenwust verborgen.

Es geht nicht mehr länger um die Frage, ob wir mit Kepler einen echten erdähnlichen Planeten finden, sondern um die Frage "wann".

Empfehlenswerte Doku auf Youtube: "Auf der Suche nach einer neuen Erde" (2012)

(Harald Zaun)

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