Zweitkleinster Exoplanet sucht nach Bestätigung

Bild: NASA/JPL-Caltech

US-Astronomen entdecken erdnächsten kleinsten extrasolaren Planeten, dem es noch an Masse fehlt

Astronomen unter der Federführung von Planetenforschern der University of Central Florida (UCF) in Orlando lokalisierten mithilfe des NASA-Infrarot-Weltraumteleskops Spitzer einen Planeten, der nur Zweidrittel des Erddurchmessers aufweist. Nur 33 Lichtjahren von der Erde entfernt, umkreist er seine Heimatwelt in dramatisch kurzer Zeit und geringem Abstand. Trotz der vielversprechenden Messdaten ist die neue Welt gegenwärtig noch blanke Theorie, da selbst die sensibelsten aktuellen Instrumente zurzeit nicht in der Lage sind, seine Masse genau zu bestimmen, weshalb ihn die Forscher vorerst nur als Kandidaten klassifizieren. Dennoch feiert das Spitzer-Fernrohr eine Premiere, spürte es doch erstmals einen extrasolaren Planeten mittels der Transit-Technik auf. Die UCF-Wissenschaftler erhoffen sich von Spitzer nunmehr weitere Funde dieser Art.

Hand auf Herz - negierten nicht im letzten Jahrhundert noch selbst gestandene Astronomen strikt das Vorhandensein von Planeten außerhalb des Sonnensystems? Fern da draußen in den Tiefen des Universums, so deren strenges Urteil, erfüllen bestenfalls Asteroiden, Sterne und Galaxien den Raum mit materiellem Leben. Von lunaren, geschweige denn planetaren Sterntrabanten seien mitnichten irgendwelche Spuren erkennbar.

Unzählige Planeten werden auch in der 300 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie NGC 1288 zuhause sein. Bild: ESO

Inzwischen jedoch mussten alle jene und andere Zweifler allesamt zurückrudern und kleinlaut konzedieren, dass in unserer Milchstraße - und damit auch in den übrigen 200 bis 500 Milliarden Galaxien unseres Universums - Planeten allerorts den funkelnden Sternen längst den Rang abgelaufen haben.

Heute ist evident, dass erdähnliche und erdunähnliche Exoplaneten im Kosmos die Regel sind und dass fast jeder Stern ein Planetensystem hervorgebracht hat, in dem mindestens immer auch ein erdähnlicher Kandidat eine Nische gefunden hat. Schenken wir der "Extrasolar Planets Encyclopaedia" von Jean Schneider Glauben, sind bislang 777 Exoplaneten offiziell verifiziert und in den exoplanetaren Olymp aufgenommen. Sie verteilen sich auf 623 Sternsysteme.

Auch wenn hierzu die Zahlen differieren und sich die US-Raumfahrtbehörde NASA derzeit auf 729 bestätigte ferne Welten festlegt, sind doch die meisten unter ihnen - von wenigen Ausnahmen einmal abgesehen - nach wie vor höchst eigenwillige planetare Zeitgenossen, die mit unserem Heimatplaneten herzlich wenig gemein haben und aufgrund ihrer Eigenarten mitnichten die Präsenz biologischen Lebens erlauben.

Mögen wir zurzeit in Deutschland vielleicht zu wenig Sonne abkriegen, andere hingegen - wie etwa Exoplaneten à la UCF 1.01 - bekommen in der Tat viel zu viel davon ab, viel mehr als ihnen lieb ist. Bild: NASA/GSFC/Frank Reddy

Erfahrungsgemäß zeigen sie sich als überdimensionierte heiße Gasriesen, deren Größe überwiegend zwischen Neptun und Jupiter variiert, mitunter sogar mehrere Jupitermassen aufweist. Nur wenige entpuppten sich bislang als masseärmer, kaum welche als potenzielle Horte des Lebens. Eine zweite Erde in einer habitablen Umlaufbahn, zumindest ein echter erdähnlicher Planet, einer, der dieses Attribut wirklich verdiente, war darunter bis dato noch nicht.

Dies gilt auch für einen neuen Kandidaten, der - wie gestern von der NASA und der University of Central Florida in Orlando (UCF) offiziell verlautbart - sich mit dem kryptischen Namen UCF 1.01 schmückt. Es ist ein Planet, der seinen Entdeckern zufolge mit Charakteristika aufwartet, die ihn von der Masse der bisher massereichen lokalisierten Welten deutlich abheben.

Merkur - der sonnennächste Planet in unserem System. Aufgenommen von der NASA-Forschungssonde Messenger. Bild: NASA

Aufgespürt mit dem seit 3251 Tagen auf Mission befindlichen NASA-Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer, präsentiert sich der nur 33 Lichtjahre von der Erde entfernte Planet als höchst eigenwillig. Einerseits umrundet er seinen Mutterstern in sehr geringer Distanz, andererseits mit enormer Geschwindigkeit. Schließlich benötigt UCF 1.01 für einen Orbit um seinen 2,4 Millionen Kilometer entfernten Stern nur 1,4 Tage. Damit geht der Neue weitaus näher auf stellare Tuchfühlung als der sonnennächste Planet unseres Systems. Merkur umkreist in einem Abstand von 58 Millionen Kilometern die Sonne. Kein Wunder demnach, dass auf der erdnahen Welt unwirtliche Temperaturen von mehr 600 Grad Celsius vorherrschen.

Der Rote Zwergstern GJ 436. Bild: ESO

"Mithilfe des Spitzer-Weltraumteleskops haben wir aussagekräftige Beweise für die Existenz eines sehr kleinen, sehr heißen Planeten gefunden, der seine Sonne in sehr geringer Entfernung umkreist", bestätigt Kevin Stevenson, ehemals Doktorand am UCF und derweil an der Universität in Chicago als Postdoc tätig, die aktuellen Forschungsergebnisse.

Die Entdeckung gelang Stevenson und seinem Team eher zufällig. Nach der Observation des seit 2004 bekannten Neptun großen Gasplaneten GJ 436b, der den Roten Zwergstern GJ 436 umkreist, fanden sie in den Spitzer-Messdaten dezente Hinweise auf die Existenz eines weiteren Planeten in dem System, möglicherweise sogar Indizien für einen Dritten im Bunde.

Der Verdacht auf die Anwesenheit eines weiteren Sterntrabanten bei GJ 436 in dem System erhärtete sich, als die Forscher bei der Analyse der Daten einen leichten Abfall in der Intensität des eintreffenden Infrarotlichts von GJ 436 registrierten.

Wie eine sich anschließende ergänzende mehrmonatige Recherche in dem umfangreichen Spitzer-Archiv ergab, wies besagter Abfall in der Lichtkurve ein periodisches Muster auf. Eben ein solches würde man erwarten, wenn ein Planet dieser Größe vor seinem Stern gemäß dem Transit-Prinzip vorbei zieht, zeitgleich dessen Licht geringfügig abschwächt und somit seine Präsenz verrät.

Um die planetare Spreu vom kosmischen Weizen zu trennen, gingen die Planetenjäger systematisch vor und eliminierten peu à peu alle denkbaren Quellen, die für den periodischen Abfall in den Lichtkurven in Frage kamen.

Dies war eine genauso große Herausforderung wie die Entdeckung des Planeten selbst. Am Ende konnten wir mit einem hohen Grad an Sicherheit resümieren, das hierfür nur die Anwesenheit eines Planeten verantwortlich sein konnte.

Kevin Stevenson in einer E-Mail an Telepolis

Neben der bekannten altbewährten und am häufigsten erfolgreich angewandten Dopplereffekt- oder auch Radialgeschwindigkeitsmethode, bei der Astronomen die Gravitationskraft der Planeten und die daraus resultierende taumelartige Bewegung des Heimatgestirns messen, gewinnt auch die Transit-Technik, respektive Fotometrie-Methode, zunehmend an Bedeutung, mit der das US-Weltraumteleskop Spitzer nunmehr erstmals einen extrasolaren Planeten aufgespürt hat.

Das Infrarot-Weltraumfernrohr Spitzer der NASA feierte eine Premiere. Bild: NASA/JPL/Caltech

Bei diesem Verfahren messen die Planetenforscher die Helligkeitsschwankungen eines ausgewählten Sterns. Kreuzt ein dort beheimateter Exoplanet die Sichtlinie des anvisierten Muttersterns, können die Astronomen die minimale Helligkeitsschwankung registrieren, die für die Dauer des Transits um winzige Bruchteile abnimmt.

Planeten via Transit lassen sich 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 ist das geringfügig abgeschwächte stellare Licht zu messen. Und nur auf diese Weise wird der unsichtbare Planet indirekt sichtbar, wobei die extrem geringen Schwankungen nur schwer zu berechnen sind.

Sogar auf die Daten des Kometenjägers Deep Impact griffen Stevenson und sein Team zurück. Bild: NASA/JPL/UMD/Pat Rawlings

Dennoch konnten Stevenson und sein Team aus der Intensität und Dauer dieser periodischen Muster auf die Größe und Umlaufbahn des Planeten schließen.

Ich konnte den schwachen Abfall im Licht des Sterns gut sehen und wollte die Quelle unbedingt bestimmen. Ich wusste, dass dann, wenn diese Signale periodisch auftauchen, sie von einem unbekannten Planeten stammen konnten.

Kevin Stevenson

Bei ihrer Datenanalyse griffen die Wissenschaftler auch auf Archivmaterial zurück, das andere Teams während vieler hundertstündiger Observationen mit der Deep Impact-Forschungssonde, dem Very Large Telescope der ESO in Chile sowie dem kanadisch-französisichen Teleskop auf Mauna Kea in Hawaii (CFHT) gesammelt hatten.

Nach Ansicht Stevenson, der zugleich federführender Autor des projektbezogenen Papers ist, das heute in der Online-Ausgabe des renommierten Fachmagazin The Astrophysical Journal erscheint, besitzt der kleine Planet keine Atmosphäre, dafür aber offensichtlich Zweidrittel der Erdanziehungskraft und ebenfalls Zweidrittel des Erddurchmessers.

Egal wie es auf UCF-1.01 aussieht - wenig einladend für biologische Lebensformen wird es dort auf jeden Fall sein. Bild: NASA

Mit einem Durchmesser von nur 8.400 Kilometern ist UCF-1.01 zurzeit konkurrenzlos. Schließlich ist er in puncto Größe der Kleinste von den erdnächsten Kandidaten und der zweitkleinste Exoplanet insgesamt.

Seine Oberflächenstruktur ist möglicherweise vulkanisch geartet. Dass UCF-1.01 eine von Kratern durchzogene Landschaft hat und geologisch wie Merkur größtenteils monoton sein könnte, hält der Projektleiter der Observation und Ko-Autor der Studie, Joseph Harrington von der University of Central Florida, für denkbar. Dennoch könnte auf der erdnahen Welt eine flüssige Oberfläche das Landschaftbild prägen. "Der Planet könnte hier mit Magma bedeckt sein", spekuliert Harrington.

Derweil befinden sich in der Datenbank des Planetenjäger-Weltraumteleskops Kepler, der bisher 74 bestätigte Exoplaneten auf seinem Konto hat, noch 2.321 Planeten in der Warteschleife. Gleichwohl stehen viele davon kurz davor, in dem exquisiten Club der "echten" Exoplaneten aufgenommen zu werden. Durchgesickert ist immerhin, dass unter den 2.321 Welten offensichtlich nur drei gefunden wurden, die kleiner als die Erde sind.

Messenger-Aufnahme von Merkur. Exogeologisch dürfte der von Kratern durchzogene Planet - genauso wie UCF-1.01 - dennoch interessant sein, sofern die Oberfläche von UCF-1.01 nicht flüssig ist … Bild: NASA

Einer von ihnen soll sogar noch kleiner als der aktuell detektierte Exoplanet sein und einen marsähnlichen Radius haben. Der Durchmesser des noch unter Verschluss gehaltenen Exoplaneten soll sich auf 57 Prozent der der Erde belaufen.

Ich hoffe, dass künftige Beobachtungen unsere aktuellen Resultate bestätigen werden. Sie zeigen, dass Spitzer in der Lage ist, Planeten von der Masse des Mars aufzuspüren. Selbst nach fast neun Jahren im All führen uns Spitzers Beobachtungen jetzt weiter in eine neue und wichtige wissenschaftliche Richtung.

Michael Werner, Spitzer-Projektwissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA

So klein und schön der neue Planet daher kommt, so sehr wandelt er selbst noch im Niemandsland zwischen Theorie und Praxis. Denn gegenwärtig ist er weder ein bestätigter noch unbestätigter Exoplanet. Dazu fehlt es ihm schlichtweg an Masse, genauer gesagt an der präzisen Bestimmung seiner tatsächlich vorhandenen Masse.

Bei der Radialgeschwindigkeitsmessung eines Exoplaneten richten die Forscher 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 und zugleich die Masse des Körpers bestimmen. Bild: ESO

Schließlich gilt im Club der Planetenjäger der Ehrencodex, dass jeder via Transit entdeckte Himmelskörper, der für sich in Anspruch nimmt, ein waschechter Exoplanet zu sein, mithilfe der Radialgeschwindigkeit zu bestätigen ist. Nur eine solche erlaubt eine exakte Bestimmung seiner Masse. Doch genau hieran hapert es, wie Stevenson diesem Magazin erklärt:

Unglücklicherweise ist unser aktueller Kandidat zu klein, um seine Masse mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Instrumenten bestimmen zu lassen. Es wird noch einige Jahre dauern, bis die Technik hierfür sensibel genug ist. Obwohl wir unserer Entdeckung und den Daten vertrauen, hielten wir es für das beste, UCF-1.01 in unserer Ankündigung vorerst nur als Kandidaten zu titulieren. Wenn wir zusätzliche Beobachtungen mit anderen Instrumenten machen könnten, wie etwa mit Hubble, könnte ich mich mit dem Gedanken anfreunden, ihn als Planeten zu bezeichnen.

Eine kleine Geschichte der Exoplaneten-Forschung - Exoplanet Exploration: PlanetQuest Historic Timeline (Youtube-Video)

(Harald Zaun)

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