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Exoplaneten : Der lange Weg zum Planetenporträt

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Der fleckige Hintergrund im mittleren und rechten Bild entsteht durch die aufwendige Bildbearbeitung, die nötig ist, um das schwache Licht der Planeten aus dem helleren Sternlicht zu filtern. Bild: ESA/Hubble; NASA, dpa

Vor 20 Jahren wurde der erste Exoplanet bei einem sonnenähnlichen Stern entdeckt, fast 2000 folgten. Nun sollen neue Spektrographen und jede Menge Hightech den fernen Welten ihre Geheimnisse enthüllen.

          8 Min.

          Es ist eines der bemerkenswertesten Fotos der Raumfahrtgeschichte. Als am 14. Februar 1990 Ingenieure der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa „Voyager 1“ noch einmal Richtung Erde schwenkten, war die am 5. September 1977 gestartete Raumsonde rund sechs Milliarden Kilometer von der Erde entfernt. Aus dieser einzigartigen Perspektive fotografierte Voyager 1 das gesamte innere Sonnensystem mit seinen Planeten. Unsere kosmische Heimat, die Erde, erscheint auf dem Bild als unscheinbarer, blass-blauer Lichtpunkt. Wolken, Kontinente oder Meere sind darauf nicht zu erkennen.

          Mag der „pale blue dot“ auch mehr von kulturellem als wissenschaftlichem Wert sein, heutzutage sind Astronomen froh, wenn sie Planeten außerhalb des Sonnensystems überhaupt auf diese Weise ablichten können. Fünf Jahre nach Voyagers legendärem Foto spürten Michel Mayor und Didier Queloz von der Universität Genf mit dem 1,9-Meter-Teleskop des französischen Observatoriums Haute-Provence den ersten extrasolaren Planeten bei einem sonnenähnlichen Stern im Sternbild Pegasus in rund 50 Lichtjahren Entfernung auf: 51 Pegasi b. Zwanzig Jahre später sind mittlerweile fast 2000 Exoplaneten in den Weiten der Milchstraße bekannt.

          Allerdings sind diese Welten bislang nur gesichtslose Phantome - außer ihren Umlaufzeiten, Massen und Größen weiß man praktisch nichts von ihnen. Kein Wunder, denn selbst der nächstgelegene Exoplanet ist von der Erde mehr als 15 000 Mal so weit entfernt wie Voyager 1 im Jahr 1990. Zudem wird das schwache Glimmen des Trabanten meist vom Licht des Heimatsterns völlig überstrahlt. So schwierig es ist, eine Motte neben einem Kilometer weit entfernten Flutlichtscheinwerfer zu erkennen, ist es für Astronomen meist unmöglich, ferne Planeten direkt zu sehen, und das selbst mit den derzeit leistungsfähigsten Teleskopen.

          Verräterische Spektrallinien

          Vielmehr verrät sich ein Exoplanet dadurch, dass er seinen Heimatstern durch die wechselseitige Anziehungskraft zum Taumeln bringt oder jedes Mal einen Teil des Sternlichts ausblendet, wenn er an ihm vorbeizieht. Stets beobachten die Astronomen jedoch das Licht des Sterns, nicht das des Planeten. Dabei sind Planetenbilder, und seien es nur Lichtpunkte, von großem wissenschaftlichem Wert. Wie ein Planet eigentlich aussieht, welche Substanzen seine Atmosphäre enthält, ob er Wolken hat und wie seine Oberfläche beschaffen ist - alle diese Informationen stecken, kodiert als Spektrallinien, in seinem Leuchten. Auch die Frage nach möglichem Leben lässt sich nur aus der Spektralanalyse seines Lichts beantworten.

          Obwohl mehrere tausend Sterne über der Atacamawüste leuchten, erzeugen die Astronomen am Very Large Telescope noch einen weiteren: Mit einem Laserstrahl Natriumarome regen sie dazu in 90 Kilometer Höhe zum Leuchten an. Der dabei entstehende „künstliche Stern“ hilft ihnen anschließend, die Turbulenzen der Erdatmosphäre zu korrigieren und so schärfere Bilder zu erreichen. Von dieser „adaptiven Optik“ profitiert auch Sphere, ein neuer „Planetensucher“, der seit 2014 am VLT im Einsatz ist. 

Bilderstrecke

          Bei vielen eng um ihre Sterne kreisenden Exoplaneten - wie dem „heißen Jupiter“ 51 Pegasi b - ist die Chance äußerst gering, auf absehbare Zeit ein direktes Abbild zu erhalten. Anders sieht das bei nicht zu weit entfernten, großen und jungen Planeten aus, deren Umlaufbahnen größer sind als die der äußeren Planeten unseres Sonnensystems. Beispiele sind die vier Planeten des 130 Lichtjahre entfernten Sterns HR 8799. Im Jahr 2008 mit den Teleskopen Keck und Gemini auf Hawaii entdeckt, zählen die Objekte zu den ersten Trabanten, deren Licht Astronomen mit einem Kamerachip festhalten konnten. Ende 2012 versuchten amerikanische Forscher mit „Project 1640“, den vier Exoplaneten auch ein Gesicht zu geben. Project 1640 ist ein neuartiger „Planetensucher“.

          Das Instrument ist am Fünf-Meter-Hale-Teleskop auf dem Palomar Mountain in Südkalifornien installiert. Es kann Planeten direkt abbilden und ihr Licht simultan spektrographisch untersuchen. Die Planeten von HR 8799 ähneln allerdings nicht einmal annähernd unserer Erde: Die Forscher stießen bei der Analyse der Spektren auf Ammoniak, Acetylen, Kohlendioxid oder Methan, in unterschiedlichen Konzentrationen. Keiner der vier Planeten gleicht zwar seinem Nachbarn, aber alle besitzen offenbar dichte Atmosphären, in denen auch Wolken existieren. Doch ähneln die ersten Exoplanetenporträts eher einfachen Phantombildern als detailreichen Fotografien.

          Der Trick mit dem Laser-Leitstern

          Das wird vermutlich vorerst auch so bleiben, meint Markus Feldt. Der Astrophysiker vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg arbeitet am derzeit fortschrittlichsten Planetensucher, genannt Sphere („Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch Instrument“). Das Instrument ist am Flaggschiff der europäischen Südsternwarte Eso, dem Very Large Telescope (VLT), auf dem Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste installiert. Mit Sphere zeichnen Feldt und seine Kollegen den Weg nach, den ihre Kollegen im 19. und frühen 20. Jahrhundert gegangen sind:

          Die Astronomen erforschten damals mit der zuvor erfundenen Spektralanalyse die Natur der Sterne und lernten so, um was es sich bei diesen funkelnden Lichtpunkten am Himmel eigentlich handelt. „Nun geht es darum, Planeten per Spektroskopie und Polarimetrie zu charakterisieren und Rückschlüsse auf die Eigenschaften ihrer Atmosphären zu ziehen“, erklärt Feldt. Das gelingt von Chile aus besonders gut. Der Norden des Landes ist nicht nur Heimat einer der trockensten Wüsten der Erde, auch haben Astronomen von hier aus einen Blick auf die gesamte Südhemisphäre des Firmaments. Durch eine Laune der Natur stehen die meisten jungen, nahen Sterne auf der Südseite des Himmelsäquators.

          Das bedeutet reichlich Beobachtungsziele für Sphere. Dessen wichtigste Bestandteile sind neben einem Spektrographen eine Differenzenkamera und ein differentielles Polarimeter. Denn bevor das Spektrum eines Planeten untersucht werden kann, muss die Natur ausgetrickst werden, und zwar auf dreifache Weise. Zunächst gilt es, die unvermeidlichen Turbulenzen der irdischen Atmosphäre zu korrigieren. Dazu projiziert ein Laserstrahl einen künstlichen „Leitstern“ in die Atmosphäre, anhand dessen ein Computer die durch die Luftunruhe verursachten Störungen misst und in Echtzeit mit deformierbaren Teleskopspiegeln ausgleicht.

          Künstliche Sonnenfinsternis

          Ohne diese in den vergangenen zwei Jahrzehnten entwickelte „adaptive Optik“ würden die Luftbewegungen die eigentlich nadelpunktfeinen Sternabbildungen zu wabernden Lichtflecken aufblähen und eine Suche nach eventuellen Begleitern unmöglich machen. Die per adaptiver Optik korrigierten Bilder sind fast so scharf wie die Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops. Zweitens muss das millionenfach hellere Licht des Sterns geblockt werden. Astronomen und Ingenieure haben dazu eine künstliche Sonnenfinsternis entwickelt - die Rolle des Mondes als Schattenspender übernimmt hier eine kleine Blende. Präzise vor den Stern plaziert, lässt die Blende nur das Licht jener Objekte passieren, die sich in direkter Nachbarschaft aufhalten.

          Doch auch das genügt noch nicht: Ähnlich wie die von einem Daumen verdeckte Sonne am Himmel sind auch die vom Teleskop abgebildeten Sterne von Streulicht umgeben, das immer noch um Größenordnungen heller ist als das blasse Leuchten der Planeten. Im dritten Schritt kommen daher Differenzenkamera und Polarimeter zum Einsatz: Planeten leuchten in der Regel nicht selbst, sie reflektieren das Licht ihrer Sterne. Diese Strahlung ist, im Gegensatz zum direkten Sternlicht, polarisiert, ihre elektromagnetischen Wellen schwingen in einer bevorzugten Richtung. Polarisationssonnenbrillen funktionieren nach diesem Prinzip, sie filtern polarisiertes Licht, das etwa von einer spiegelnden Wasseroberfläche zurückgeworfen wird.

          Bei Sphere - es ist seit Mai 2014 in Betrieb - sind die Astronomen an dem interessiert, was die Sonnenbrille blockieren soll: Ein ausgeklügeltes System aus Filtern sorgt dafür, dass nur das polarisierte Licht ohne störendes Sternlicht in den Spektrographen gelangt - also ausschließlich das Licht möglicher Planeten und anderer reflektierender Objekte in der Umgebung des Sterns.

          Doch nicht jeder dicht neben einem Stern gefundene Lichtpunkt entpuppt sich auch als Planet. „Um eine gemeinsame Eigenbewegung und damit gravitative Gebundenheit festzustellen, sollte ein gewisser zeitlicher Abstand zwischen Erst- und Nachfolgebeobachtung liegen“, erklärt Feldt. Mit anderen Worten: Ob ein aufgespürtes Objekt tatsächlich um einen Stern kreist, kann erst nach Monaten, vielleicht auch Jahren festgestellt werden. Noch sei es zu früh, etwas zu möglicherweise „heißen“ Planetenkandidaten zu sagen, so Feldt.

          Blick in die Kinderstube der Planeten

          Die Konkurrenz aus den Vereinigten Staaten war da allerdings schneller: Mit dem Gemini Planet Imager (GPI), einem weiteren irdischen Planetensucher, der sich am Acht-Meter-Gemini-Süd-Teleskop in Chile befindet, haben Astronomen um Bruce Macintosh vom Kavli-Institut der Universität Stanford gleich beim zweiten Stern einer aus 600 Kandidaten bestehenden Liste den ersten echten Exoplaneten identifiziert. 51 Eridani b ist 96 Lichtjahre von der Erde entfernt. Seine Masse übertrifft die des Jupiters um mindestens das Doppelte, er umkreist seinen Heimatstern mit dem dreizehnfachen Abstand von Erde und Sonne.

          Er wäre damit der kleinste „Jupiterplanet“, der bislang direkt abgelichtet worden ist - und einer der jüngsten dazu: 51 Eridani und sein Planet sind gerade einmal 20 Millionen Jahre alt, das entspricht einem halben Prozent des Alters unseres Sonnensystems. Ein ideales Fotoobjekt: In jugendlichem Alter sind Planeten heiß - rund 600 Grad Celsius im Falle von 51 Eridani b. Neben dem reflektierten Sternlicht senden diese heißen Himmelskörper zusätzlich Infrarotstrahlung aus, die man mit Infrarot-Teleskopen empfangen kann.

          Noch jünger sind die drei Objekte, die Steph Sallum und Kate Follette von der University of Arizona mit der adaptiven Optik des Large Binocular Telescope (LBT) bei dem 450 Lichtjahre entfernten Stern LkCa15 entdeckt haben: Über fünf Jahre hinweg beobachteten sie die Bewegung der Himmelskörper in einer den Stern umgebenden Staubscheibe. Dann waren sie sicher, dass ihnen das erste Foto von Planeten während ihrer Entstehung gelungen war. „Wenn 51 Eridani b ein jugendlicher Planet ist, dann sind die Objekte bei LkCa15 Babys“, so Macintosh.

          Dass die größten Fortschritte von Sphere und GPI bei der Erforschung genau dieser entstehenden Planetensysteme zu erwarten sind, meint auch Markus Feldt. Eines der ersten von Sphere veröffentlichten Bilder zeigt eine weitere Kinderstube für Planeten: die rund zwölf Millionen Jahre alte Staubscheibe um den Stern AU Microscopii. Mit 32 Lichtjahren Entfernung zählt AU Microscopii zu den 100 nächstgelegenen Nachbarsternen der Sonne: „Die enorme Bildqualität von Sphere macht in dieser Entfernung Strukturen sichtbar, die bislang schlicht unzugänglich waren“, erklärt Feldt. „Wir werden nun durch wiederholte Beobachtung innerhalb weniger Jahre regelrecht ,Filme‘ solcher Scheiben erstellen - und dabei zuschauen, wie sich dort Strukturen bewegen und verändern, was ja letztlich auch mit Planeten und deren Entstehung zusammenhängt.“ Einige Materieklumpen in der Scheibe bei AU Microscopii bewegen sich so schnell, dass sie die Anziehungskraft des kleinen Sterns überwinden könnten - der Grund für diese Beschleunigung ist noch ungeklärt. Solange es den Astronomen speziell um das Baumaterial neuer Planeten geht, können sie seit einigen Jahren zudem auf ein ganz besonderes erdgestütztes Observatorium zählen: das Radioteleskopnetzwerk „Alma“.

          Ebenfalls in der Atacamawüste gelegen, empfangen die Radioantennen von Alma statt des optischen Lichts von Sternen oder Planeten die Radiostrahlung ausgedehnter Staubwolken. Bislang waren Radiobilder solcher Scheiben mehr oder weniger undeutliche Flecken. Almas Antennen lassen sich jedoch auf viele Quadratkilometer verteilen. So erreicht das Netzwerk eine Detailschärfe, die selbst die des Hubble-Weltraumteleskops oder auch des Very Large Telescope mit seiner adaptiven Optik übertrifft. Bei dem 450 Lichtjahre entfernten Stern „HL Tauri“ im Sternbild Stier etwa konnten die Astronomen mit dem Teleskoparray Alma zum ersten Mal Lücken in der den Stern umgebende Staubscheibe ausmachen, die an die „Rillen“ im Ring des Planeten Saturn erinnern. Im Saturnring werden die Lücken durch kleine Monde verursacht, bei HL Tauri, so besagen es theoretische Modelle, entstehen in der Staubscheibe neue Planeten.

          Wo steckt die zweite Erde?

          Dass die beiden Instrumente GPI oder Sphere alsbald die Entdeckung einer „zweiten Erde“ vermelden, ist nach Feldts Meinung unwahrscheinlich. „Es geht in erster Linie um junge Gasriesen, einfach weil diese am leichtesten zu entdecken sind. Außerdem um Planeten in relativ weiten Abständen vom Zentralgestirn. Mit bisherigen Verfahren hat man vor allem eher eng umlaufende Planeten entdeckt.“ Je näher die Sterne sind, desto größer die Chancen, auch kleinere Planeten zu finden: „Sphere könnte theoretisch einen erdähnlichen Planeten in der Umlaufbahn um Proxima Centauri nachweisen, des der Sonne nächstgelegenen Sterns. Die Existenz eines solchen Trabanten erscheint allerdings nach bisherigen Beobachtungen äußerst unwahrscheinlich.“

          Eine Verbesserung darf man vom „SCExAO„-Instrument (Subaru Telescope Extreme Adaptive Optics) erwarten, das in den kommenden Jahren am japanischen Subaru-Teleskop auf Hawaii in Betrieb gehen soll. Mit SCExAO sollen auch Planeten abgelichtet werden können, die deutlich enger um ihre Sterne kreisen, als sie mit dem GPI aufgespürt werden können. Zudem ist das japanische Instrument als Experimentierplattform aufgelegt, an der neueste technologische Entwicklungen ausprobiert werden können. Bis auf weiteres werden sich die Astronomen jedenfalls mit vielen blass-blauen oder andersfarbigen Lichtpunkten begnügen müssen. Erdähnliche Planeten - also kleine, felsige Himmelskörper in den habitablen Zonen sonnenähnlicher Sterne - dürften also vorläufig nur mit indirekten Methoden entdeckt werden. Doch niemand kann sagen, welche technischen Tricks den Astronomen noch einfallen werden - während der Reise von Voyager 1 durch das Sonnensystem war die adaptive Optik schließlich auch noch nicht erfunden.

          Und die Frage nach außerirdischen Leben? Die Farbe der Erde auf der Voyager-Aufnahme gibt immerhin Hinweise auf die Existenz von Wolken, Ozeanen und Kontinenten auf unserem Heimatplaneten. Wird man mit Sphere und Co. Anzeichen von biologischem Leben auf einem Exoplaneten finden können? Markus Feldt mahnt zur Geduld: „Für einen solchen Nachweis wird man vermutlich um die zehn bis fünfzehn Jahre warten müssen.“ Dann könnten geplante weltraum- oder erdgestützte Observatorien, wie das derzeit in Bau befindliche Extremely Large Telescope ( der Nachfolger des VLT) für maximal 100 Lichtjahre entfernte, günstig gelegene Systeme möglicherweise Befunde liefern, die auf Leben hindeuten. Ein eindeutiger Nachweis, der jede andere Erklärung ausschließt, dürfte nach Feldts Ansicht aber auch dann noch schwierig bleiben.

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