Exoplaneten

Das Bild zeigt keinen Exoplaneten, sondern die Oberfläche des Mars

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Geschichte der Exoplanetenentdeckungen

Wie viele Planeten gibt es? Seit Menschen den Himmel beobachten beschäftigen Sie sich mit der Frage, ob es auch um andere Sterne Planetensysteme gibt. Die Idee, das es neben unserer Welt noch weitere ähnliche gibt wurde bereits von den alten Griechen diskutiert. So ist vom griechischen Philosophen Demokrit von Abdera (460/459 v.u.Z - 371 v.u.Z) folgendes Zitat überliefert [1]:

"In einigen Welten gibt es weder Sonne noch Mond, in anderen sind sie größer als in der unsrigen, in wieder anderen sind sie zahlreicher. In einigen Teilen gibt es mehr Welten, in anderen weniger ..."

Später im Europa des 16. Jahrhunderts glaubte auch Giordano Bruno, ein italienischer Priester und Gelehrter, das das Weltall unendlich ist und es unendlich viele bewohnte Welten im Universum gibt.

Bei der Kirche war diese Ansicht allerdings recht unpopulär und einer der Gründe warum Giordano Bruno von der Inquisition im Jahr 1600 wegen Ketzerei zum Tode auf dem Scheiterhaufen verurteilt wurde. Die gleiche Vermutung äußerte Isaac Newton später im wissenschaftsfreundlicheren Klima des 18. Jahrhunderts in England. So vermutete auch er in seinem Aufsatz "Scholium Generale" [4], dass auch um andere Sterne Planetensysteme existieren müssten.

In der Folgezeit gelangten Astronomen zunehmend zu der Meinung, dass auch andere Sterne Planetensysteme haben könnten. Es fehlte aber für eine lange Zeit die Möglichkeit dies zu beweisen. Im Jahr 1952 stellte der russisch-amerikanische Astronom Otto Struve die Vermutung auf, dass Planeten ihr Zentralgestirn auch in viel kleinerem Abstand umkreisen könnten als dies im Sonnensystem der Fall ist. Aufgrund dieser Theorie schlug er fast 40 Jahre vor der ersten bestätigten Entdeckung eines "heißen Jupiter" die Doppler Spektroskopie und Transitmethode als mögliche Entdeckungsmethoden vor. Beide Methoden gehören gegenwärtig zu den erfolgreichsten Methoden der Exoplanetenentdeckung.

Exoplanetensuche als neuer Zweig der Astronomie

Es sollte noch über 35 Jahre dauern, bis die kanadischen Astronomen Bruce Campbell, G. A. H. Walker, and Stephenson Yang von der "University of Victoria" und der "University of British Columbia" im Jahr 1988 die erste Exoplanetenentdeckung vermeldeten. Sie nutzten die Doppler Spektroskopie um einen Exoplaneten um den Stern Gamma Cephei nachzuweisen [2]. Eine Entdeckung, die erst im Jahr 2003 nach mehreren Jahren der zusätzlichen Beobachtung bestätigt werden konnte [3]. Das zeigt, das die Exoplanetenentdeckung schwierig ist und oft an der Grenze das technisch möglichen stattfindet.

In den Folgejahren kam es zu weiteren Entdeckungen. Im Jahr 1995 fanden Michel Mayor und Didier Queloz das Objekt 51 Pegasi b, den ersten Exoplaneten um einen Stern ähnlich der Sonne. Es war der erste entdeckte Vertreter einer neuen Klasse von Exoplaneten, den "heißen Jupiter". Das sind Gasplaneten, die ihr Zentralgestirn in geringem Abstand umkreisen, dadurch sehr heiß sind (>900 K) und Umlaufzeiten von nur einem bis 5 Tagen haben. Diese Art von Exoplanet ist geradezu prädestiniert für die Entdeckung mittels Doppler Spektroskopie.

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten 51 Pegasi b, einem Vertreter der "heißen Jupiter". (Quelle: ESO/M)

Im Jahr 1999 fand man um den 160 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern HD 209458 erstmalig einen Exoplaneten mit der Transitmethode. HD 209458 b ist ebenfalls ein Gasriese mit 69% Jupitermasse. Auch er ist ein "heißer Jupiter", der seinen Zentralstern in geringem Abstand umkreist. Seine aufgeheizte Atmosphäre macht ihn allerdings 1,3 mal größer als Jupiter.

Aktueller Stand der Exoplanetenentdeckungen

Es mag mittlerweile selbstverständlich erscheinen, dass Planetensysteme keine Ausnahmeerscheinung im Universum sind, allerdings gelang erst 1988 die erste Entdeckung eines Exoplaneten. Dieser Planet wird heute nach seinem Zentralstern "Gamma Cephei Ab" oder auch "Tadmor" genannt. 1988 waren sich aber selbst seine Entdecker nicht sicher, denn die Daten, welche mit der Radialgeschwindigkeitsmethode gewonnen wurden, waren nicht eindeutig und so zogen sie ihre Entdeckung im Jahr 1992 zurück. Erst im Jahr 2002 wurde sie endgültig bestätigt. [Quelle]

Als erste Entdeckung eines Exoplaneten, der einen Hauptreihenstern umkreist, gilt heute die von 51 Pegasi b. Dieser Planet umkreist den Stern 51 Pegasi und wurde im Jahr 1995 von Michel Mayor und Didier Queloz ebenfalls mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt. In den Jahren darauf wurden rasch weitere Exoplaneten entdeckt. Die Technik war nun soweit fortgeschritten, dass sich ein neuer Zweig der Astronomie zu etablieren begann.

Die von der "Extrasolar Planet Encyclopaedia" geführte Liste der bestätigten Exoplanetenentdeckungen wächst ständig und enthält aktuell 5365 Einträge mit bestätigten Exoplanetenentdeckungen, darunter 3961 Planetensysteme. [5] Allerdings wird jeder Exoplanetenkatalog unvollständig bleiben, denn er stellt lediglich eine Sammlung von Entdeckungen dar, deren physikalische Eigenschaften geeignet sind um von den verwendeten Beobachtungsverfahren, im Rahmen ihrer Messgenauigkeit entdeckt zu werden.

Obige Grafik zeigt die Anzahl der Exoplanetenentdeckungen pro Jahr sowie die Gesamtanzahl der bestätigten Funde. Die Häufung der Planetenentdeckungen in den Jahren 2013-2016 ist auf Daten des Kepler Weltraumteleskops zurückzuführen. Es handelte sich dabei um ein Weltraumteleskop, das über ein sehr empfindliches Beobachtungssystem verfügte und dessen primärerer Einsatzzweck die Entdeckung neuer Exoplaneten war. Mittlerweile folgten ihm die Weltraumteleskope TESS und zuletzt das "James Webb Space Telescope". Dank verbesserter Methoden und neuer Groß- und Weltraumteleskope ist auch in Zukunft mit einer weiteren Zunahme der Entdeckungen zu rechnen.

Masse aufgetragen über der Umlaufzeit für über 3500 entdeckte Exoplaneten.

Die Zahl der Entdeckungen erdähnlicher Gesteinsplaneten nimmt zwar zu, bleibt jedoch insgesamt gering. Hinzu kommt, dass die auffindbaren erdähnlichen Planeten aufgrund der Beschränkungen der verwendeten Techniken meist sehr kurze Umlaufzeiten haben und sehr kleine Sterne (Rote Zwerge) umkreisen. Solche Umstände führen jedoch zu einer synchronen Rotation der Planeten, bei der eine Seite in permanente Nacht gehüllt ist, während die Andere ständig dem Zentralstern zugewandt ist. Lebensfreundlich sind solche Bedingungen nicht.

Die Entdeckung eines Gesteinsplaneten, der in Bezug auf Masse und Entfernung vom seinem Zentralgestirn mit der Erde vergleichbar ist, steht auch heute noch aus. Eine "zweite Erde" haben wir also noch nicht gefunden, aber auch das ist nur eine Frage der Zeit.

Aktuelle Entdeckungen

Abbildung der protoplanetaren Scheibe um AB Aurigae mit SPHERE. (Bildquelle: ESO/Boccaletti et al.; CC BY 4.0 CC BY)

Beobachtung eines Protoplaneten gibt Aufschlüsse über Mechanismen der Planetenentstehung (04. April 2022)

Durch direkte Beobachtung mit dem Subaru-Teleskop und dem Hubble-Weltraumteleskop haben Forscher in der protoplanetaren Scheibe des Sternensystems AB Aurigae den bislang jüngsten Exoplaneten entdeckt. Der noch im Entstehen befindliche Protoplanet umkreist seinen Zentralstern im Abstand von 93 AU und könnte zu einem Gasriesen mit neunfacher Jupitermasse heranwachsen.

Die große Entfernung vom Zentralgestirn könnte darauf hindeuten, dass die Planetenentstehung hier nach dem Gravitations-Instabilitäten-Modell erfolgt. Bei diesem Modell wird die planetare Scheibe im Außenbereich zunächst instabil, was sich in der Bildung von Spiralarmen äußert. Anschließend kollabieren Teile der Scheibe durch ihre eigene Schwerkraft und bilden dabei direkt Gasriesen.

Künstliche Intelligenz entdeckt 301 neue Exoplaneten (22. November 2021)

Die Bestätigung von Exoplanetenkandidaten ist ein zeitaufwendiger Prozess bei dem die Messungen von verschiedenen Detektionsverfahren miteinander verglichen werden um mögliche Fehldetektionen bestmöglich auszuschließen. Forschern der NASA ist es jetzt gelungen in den Daten des Kepler Weltraumteleskopes mit einem neuronalen Netzwerk namens "ExoMiner" auf einen Schlag 301 neue Exoplaneten zu bestätigen.

Position des Exoplanetenkandidaten und künstlerische Darstellung des Binärsystemes. (Bildquelle: X-ray: NASA/CXC/SAO/R. DiStefano, et al.; Optical: NASA/ESA/STScI/Grendler; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)

Erster Exoplanetenkandidat in einer anderen Galaxie (25. Oktober 2021)

Forscher der NASA haben durch Auswertung von Daten des Chandra Röntgenteleskops einen ersten Exoplanetenkandidaten in einer anderen Galaxie gefunden. Der Kandidat wurde bei der Suche nach Transitereignissen im Röntgenbereich entdeckt. Er befindet sich in der Whirlpool-Galaxie und umkreist ein Doppelsternsystem (M51-ULS-1), in den ein Neutronenstern (oder schwarzen Loch) Gas von seinem Begleitstern abzieht und in einer kleinen Akkretionsscheibe im Röntgenbereich zum Leuchten bringt.

Zum derzeitigen Zeitpunkt kann allerdings auch nicht ausgeschlossen werden, dass es sich um einen roten oder braunen Zwerg handelt. Das Detektionsverfahren von Transitereignissen im Röntgenbereich scheint jedoch prinzipiell für die Entdeckung von extragalaktischen Exoplaneten geeignet. (via nasa.gov)

Zirkumpolare Scheibe um den Stern PDS-70 mit einer kleinere zirkumpolaren Scheibe um einen Exoplaneten des Systemes. (Bildquelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.)
Mehrplanetensystem um den sonnenähnlichen Stern TYC 8998-760-1. (Bildquelle: ESO/Bohn et al.; 2020-07-22)

Möglicher Nachweis eines Exomondes in Entstehung (22. Juli 2021)

Ein mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) aufgenommenes Bild des in Entstehung befindlichen Planetensystemes um den Stern PDS-70 in 400 Lichtjahren Entfernung. Es zeigt die zirkumpolare Scheibe um den Stern mit Bereichen, welche bereits durch Planeten von Gas und Staub befreit wurden. Ebenfalls zu sehen ist eine zirkumpolare Scheibe um einen der Exoplaneten des Systems. (Kleiner heller Punkt unterhalb der Bildmitte). In dieser Scheibe könnten Exomonde entstehen.

Erstes Bild eines Mehrplanetensystemes um einen sonnenähnlichen Stern (22. Juli 2020)

Rechts ist das erste direkte Bild eines Exoplanetensystems mit mehreren Planeten zu sehen, die einen sonnenähnlichen Stern umkreisen. Es besteht aus zwei Gasriesen, welche mit Pfeilen markiert sind. Sie umkreisen den ungefähr 310 Lichtjahre entfernten Stern TYC 8998-760-1 der Spektralklasse K3 IV. Der Stern ist mit 4500 Kelvin Oberflächentemperatur etwas kühler als die Sonne und noch sehr jung (16.7 Millionen Jahre). Das Planetensystem wurde vom SPHERE Instrument der Europäischen Südsternwarte aufgenommen. Bei den anderen Lichtpunkten handelt es sich um Hintergrundsterne.

Quellenangaben

1. Search for Exoplanets Webpage
2. Campbell, B.; Walker, G. A. H.; Yang, S.: "A search for substellar companions to solar-type stars". The Astrophysical Journal. 331: 902 (1988)
3. Hatzes, Artie P.; et al.: "A Planetary Companion to Gamma Cephei A". The Astrophysical Journal. 599 (2): 1383-1394 (2003)
4. Isaac Newton: "The General Scholium to Isaac Newton's Principia mathematica". The General Scholium online, translated by Andrew Motte, 1729; via archive.org
5. Exoplanet Team: "The Extrasolar Planet Encyclopaedia." Online