Auf der Suche nach der nächsten Erde

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Astronomen suchen schon seit langem nach einem felsigen, erdartigen Planeten, der sich um einen an die Sonne erinnernden Stern dreht – hier sind die Chancen am größten, Leben zu finden, das dem auf unserer Welt ähnelt. Die dabei verwendeten Technologien, die vor allem das Sternenlicht analysieren, könnten jedoch genauer sein. Forscher am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics haben nun eine noch recht junge Lasertechnik zur Planetensuche angepasst, die auch die bislang kaum messbaren Gravitationseinflüsse erfassen können soll, die solche Planeten auf das sie umgebende Sternenlicht haben.

Das System der Forscher verbessert die Genauigkeit so genannter Spektrogramme bis zum Hundertfachen. Die mit optischen Geräten erfassten Daten, die das Licht weit entfernter Sterne analysieren, sollen so leichter erdartige Planeten aufzeigen können. Die Technologie soll bereits im Mai am Multiple Mirror Telescope am Mount Hopkins in Arizona installiert werden. Sie wurde von dem Harvard-Dozent Ronald Walsworth und seinem Postdoc Chih-Hao Li entwickelt.

Sollte der Ansatz in Verbindung mit bestehenden Teleskopen funktionieren, sei dies "ein riesiger Durchbruch" bei der Suche nach erdähnlichen Planeten, meint Sara Seager, Professorin für Erd- und Planetenwissenschaften am MIT. Auch seien so neue Erkenntnisse über die Entstehung unserer Heimat denkbar.

Bislang haben die Astronomen fast 300 Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems entdeckt, die so genannten Exoplaneten. Erst im letzten Monat konnten NASA-Forscher verkünden, dass sie mit dem Hubble-Weltraumteleskop einen Himmelskörper gefunden hätten, auf dem Wasser und ein organisches Molekül nachgewiesen werden konnte. Doch der Planet in 63 Lichtjahren Entfernung ist gasförmig und enorm heiß. Tatsächlich war bislang noch keiner der entdeckten Exoplaneten wie die Erde.

Wenn ein Planet seinen Stern umkreist, sorgt die Anziehungskraft dafür, dass der Stern sich leicht hin und her bewegt, erläutert Planetenforscher George Ricker vom MIT. Aufgrund des Dopplereffekts sorgen diese geringen Veränderungen in der Bewegung des Sterns für minimale Veränderungen bei der Wellenlänge des Sternenlichts, das uns erreicht. Astronomen nutzen Spektrogramme dazu, das von Teleskopen aufgefangene Frequenzband in seine Wellenlängenkomponenten zu unterteilen. Das Lichtspektrum eines Sterns verändert sich mit dem Zyklus jedes der sich um ihn drehenden Planeten. Auf dem Spektrogramm ist dies mit einer Verschiebung in den blauen und roten Bereich wahrnehmbar.

Je größer der Planet, desto leichter ist es, diesen Effekt zu messen. Großplaneten, die man auch "Hot Jupiters" nennt, weil sie dem gleichnamigen Planeten in unserem Sonnensystem ähneln, können die Bewegung ihrer Sterne um zehn Zentimeter und mehr in der Sekunde beeinflussen. Kleine Planeten wie die Erde haben jedoch einen geringeren Effekt, hier liegt er nur im einzelnen Zentimeter pro Sekunde-Bereich. Die Veränderungen bei der Wellenlänge sind dementsprechend winzig. "Aktuelle Techniken kommen nicht über einen Meter pro Sekunde hinaus", sagt Gordon Walker, emeritierter Professor für Physik und Astronomie an der University of British Columbia.

Um die Lichtwellenlängen zu bestimmen, die ein Stern produziert, wird sein Spektrogramm mit einer Standard-Lichtquelle verglichen, die genau bekannte Wellenlängen abgibt, die über einen längeren Zeitraum stabil bleiben. Exoplaneten-Messungen dauern Monate oder gar Jahrzehnte – Astronomen, die Lichtjahre entfernt von der Sonne sitzen, müssen den Stern bereits ein Jahr beobachten, um die Auswirkungen der Erde festzustellen. Die aktuellen Standards für diese Technik gelten zwar als robust, bleiben in ihren Wellenlängen aber eingeschränkt.

Seit den späten Achtzigerjahren interessieren sich Astronomen für die Nutzung der Lichtspektren schnell pulsierender Laser, um optische Frequenzen abzutasten. Die Technik nennt sich "Optical Frequency Comb", eine Art Kamm für optische Frequenzen. So entstanden bessere Standards für die hochauflösende Spektrometrie, erläutert Physiknobelpreisträger John Hall, Fellow am JILA, einem gemeinsamen Forschungsinstitut des National Institute of Standards and Technology und der University of Colorado. Ein solches Spektrum besteht aus einem einzelnen Laser, der Lichtimpulse auf präzise kalibrierten Wellenlängen produziert, die nur eine Milliardstel Sekunde auseinander liegen.

Bislang ist es jedoch nicht gelungen, diese Technologie für die Astronomie zu adaptieren – die Ränder des Lichts bei regulären Optical Fequency Combs liegen zu nahe beieinander. Um das Problem zu lösen, koppelten Walsworth und Li das Gerät mit einer Filterkammer, die sich Fabry-Pérot-Hohlraum nennt. Sie verwendet eine Reihe von Spiegeln, um die Ränder herauszufiltern. Das Ergebnis ist ein Messmittel, das die Wellenlängen des Lichts in einem Spektrogramm genau identifizieren kann.