Erdgroßer Exot kreist im Alpha Centauri System
Bild: ESO
ESO-Wissenschaftler entdecken den bislang kleinsten und erdnächsten Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern
Nahezu 800 Exoplaneten sind entdeckt und bestätigt, 2300 weitere Kandidaten sind in der Warteschleife und warten auf ihren planetaren Ritterschlag. Derweil haben Astronomen der Europäischen Südsternwarte (ESO) in unmittelbarer Nachbarschaft zur Sonne einen exotischen Exoplaneten lokalisiert, dessen Masse etwas größer ist als die der Erde. Er ist der leichteste bislang bekannte seiner Art, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Und der bis auf den heutigen Tag erdnächste Exoplanet. Da er seine Heimatwelt in geringem Abstand umrundet und auf ihm Temperaturen von 1500 Kelvin herrschen, ist er alles andere als eine Zwillingserde. Dennoch halten die ESO-Forscher die Wahrscheinlichkeit für sehr hoch, dass eine solche im Alpha Centauri System in einer bewohnbaren Zone existieren könnte.
Nein, so richtig überrascht sei man angesichts der Entdeckung nicht, gestanden die verantwortlichen Forscher des ESO-Teams auf der gestern einberufenen virtuellen Pressekonferenz freimütig, an der weltweit insgesamt (nur) 78 akkreditierte Journalisten teilgenommen hatten. Schließlich wisse man, dass in fast jedem Sternsystem Exoplaneten beheimatet sind. Es gehe letzten Endes nur darum, festzustellen, wie groß und weit entfernt diese von ihrem Mutterstern sind. Der aktuelle Fund spiegelt nur die bisher gesammelten Erfahrungen und Statistiken wider und korrespondiert mit den im Computerexperiment gewonnenen Daten, so die Wissenschaftler.
Wie groß oder gering das Überraschungsmoment für die Forscher auch immer gewesen sein mag - die von ihnen in dem Fachjournal "Nature" vorgelegte Studie kann immerhin mit zwei Superlativen aufwarten, die wenigstens alle Nichteingeweihten noch in Erstaunen zu versetzen vermag.
Bis an die technischen Grenzen
Worüber bereits seit dem 19. Jahrhundert in der Wissenschaft immer wieder spekuliert und was im Science-Fiction-Genre seitdem gerne literarisch verarbeitet wurde, hat ein europäisches Forscherteam nunmehr im Rahmen von langjährigen Beobachtungssequenzen nachgewiesen. Es lokalisierte in dem erdnächsten (Exo-) Sonnensystem, dem Alpha-Centauri-System, mit dem HARPS-Spektrografen (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher) und dem 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf La Silla in Chile einen erdgroßen Planeten mit Exotenstatus.
"Unsere Beobachtungen mit dem HARPS-Instrument, die sich über einen Zeitraum von mehr als vier Jahren erstreckt haben, förderten ein schwaches, aber echtes Signal von einem Planeten zutage", sagt Xavier Dumusque vom Genfer Observatorium in der Schweiz und dem Centro de Astrofisica da Universidale do Porto in Portugal.
Alpha Centauri B b, so der kryptische Namen des bislang kleinsten und masseärmsten Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern, hat ungefähr die Masse der Erde und umkreist seinen Mutterstern in einer Entfernung von nur 0,04 Astronomischen Einheiten, also nur sechs Millionen Kilometern alle 3,236 Tage einmal. Damit umrundet er seinen Stern in fast 40 Mal geringerem Abstand als die Erde die Sonne.
Die Entdeckung sei außergewöhnlich. "Sie hat unsere Technik bis an ihre Grenzen geführt", erläutert der federführende Autor des Nature-Papers.
Zarte Taumelbewegung wurde erfasst
Die Entdeckung von Alpha Cen B b gelang mithilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode. Von Februar 2008 bis Juli 2011 führten die ESO-Forscher mit diesem Verfahren insgesamt 450 Messungen durch.
Bei dieser Technik richten die Planetenjäger ihre Aufmerksamkeit 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.
Wird das Licht eines Sterns in die Spektralfarben zerlegt (wie bei einem Regenbogen), sind nicht nur Farben zu sehen, sondern auch Spektrallinien, die sich wiederum verschieben, sobald der Stern wankt. Bewegt sich der Stern dabei minimal auf die Erde zu, erscheinen die Spektrallinien zum blauen Licht des optischen Spektrums verschoben, also zum kürzeren, wohingegen im umgekehrten Fall das Ganze eine geringe Rotverschiebung aufweist. Dank der periodischen Doppler-Verschiebung können Astronomen sogar die Änderung der Radialgeschwindigkeit berechnen und dadurch auch auf die Größe und Bahndaten des Planeten schließen.
Um das geringe Taumeln von Alpha Cen B zu messen, mussten die ESO-Astronomen mit dem zur Verfügung stehenden Equipment die so genannte Radialgeschwindigkeitsamplitude bis auf einen bis dahin noch nicht erreichten Wert optimieren. Hierbei verbuchte HARPS einen erneuten Rekord. Der Spektrograf zerlegte das Sternenlicht in seine Wellenlängen und legte dabei eine derartige Empfindlichkeit an den Tag, dass er selbst das extrem geringe Wackeln von Alpha Cen B registrierte, das pro Sekunde sage und schreibe nur 51 Zentimeter betrug.
Alpha Cen B im Mehrfachsystem
Mit einer Distanz von 4,34 Lichtjahren zur Erde ist Alpha Centauri (α Cen) das erdnächste extrasolare Sternsystem überhaupt. In dem im Sternbild Centaurus am südlichen Sternhimmel beheimateten Mehrfachsystem dominieren Alpha Cen A als gelber und Alpha Cen B als orangefarbener Hauptreihenstern das Geschehen. Beide vor 6,5 Milliarden Jahre entstandenen Sterne befinden sich in einer stabilen Phase und weisen ungefähr die Größe der Sonne auf, wo hingegen der dritte im Bunde, Proxima Centauri, als roter Zwergstern der jüngste und lichtschwächste, dafür aber mit 4,22 Lichtjahre Entfernung der erdnächste Stern ist (gleichwohl sehen einige Astronomen in Proxima Centauri keinen Stern des Alpha Cen Systems).
Alpha Centauri B, der Mutterstern des neu entdeckten Planeten, hat eine Oberflächentemperatur von 5214 Kelvin und zählt zum Spektraltyp K1 V. Im Vergleich zu unserer Sonne hat er eine etwas geringere Temperatur und Masse (0,934 der Sonnenmasse), gilt aber dennoch als sonnenähnlich, wie auch der Co-Autor der Nature-Studie, Stéphane Udry vom Genfer Observatorium bestätigt:
Das ist der erste Planet um einen sonnenähnlichen Stern, dessen Masse ungefähr der der Erde entspricht. Doch aufgrund des sehr geringen Orbits, ist es auf dieser Welt viel zu heiß für Leben, so wie wir es kennen.
Geringfügig massereicher als die Erde
Ob der Planet eine Atmosphäre habe, sei noch völlig offen, betonten die Forscher auf der Pressekonferenz. Vieles sei derzeit noch reine Spekulation. Die durchschnittliche Temperatur auf der sonnenbeschienenen Seite des Planeten betrage 1.500 Kelvin. Die exakte Masse des Exoplaneten habe man, wie Prof. Udry in einer E-Mail konzediert, noch nicht genau bestimmen können. "Die Mindestmasse dieses Planeten beträgt 1,1 Erdmassen. Es ist aber sehr, sehr unwahrscheinlich, dass seine Masse größer als zwei bis drei Erdmassen ist."
Ein Messfehler liege mit großer Wahrscheinlichkeit nicht vor. "Die Wahrscheinlichkeit, dass der Planet existiert, liegt bei mehr als 99,9 Prozent", verdeutlicht ein Wissenschaftler am Ende der Pressekonferenz.
Zeitweilig nahm das europäische Astronomenteam auch den helleren Stern Alpha Centauri A ins Visier und observierte ihn mit einer anderen Strategie - ohne Erfolg.
Weitere Erfolge programmiert
Angesichts der Charakteristika des neuen planetaren Begleiters im Alpha Cen System und eingedenk der bisher gesammelten Erfahrungswerte mit solchen Kandidaten sind nach Einschätzung der Astronomen in dem erdnahen Sonnensystem weitere Überraschungen geradezu programmiert. Nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass Alpha Cen A und B sich einmal in 80 Jahren auf stark elliptischen Bahnen umrunden und ihr Abstand zwischen 11,5 und 36,3 Astronomischen Einheiten variiert, haben Planeten genug Spielraum und Raum, um sich in dem Mehrfachsystem einzunisten. "Stabilitätsstudien ergaben, dass sich bereits in einem Raumbereich von drei Astronomischen Einheiten Planeten formen und entwickeln können", erklärt Udry in einer E-Mail.
Auch in dem heute veröffentlichten Nature-Artikel verweisen Stéphane Udry und seine Kollegen auf die potenzielle Existenz weiterer Planeten in dem Alpha Cen System. So zeigen andere HARPS-Observationen und die Entdeckungen von Kepler deutlich, dass die Mehrzahl der massearmen Planeten in solchen Systemen zuhause ist. Daher sei man sehr optimistisch, in dem erdnahen Sternsystem noch weitere Planeten zu finden, womöglich sogar einen erdähnlichen Planeten in einer bewohnbaren Zone.
Theoretische Modelle zeigen uns, dass die Bildung einer Zwillingserde um Alpha Centauri B durchaus möglich ist. […] Überdies deuten statistische Studien darauf hin, dass vorzugsweise in Mehrfachsystemen massearme Planeten gebildet werden. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sich andere Planeten um Alpha Centauri B gebildet haben, einige davon vielleicht sogar in einer habitablen Zone.
ESPRESSO soll es richten
Zwar sei der zur Verfügung stehende leistungsstarke HARPS-Spektrograf weltweit das beste Instrument, um Exoplaneten mittels der stellaren Taumelbewegung ausfindig zu machen; dennoch reiche seine Sensibilität derzeit bei weitem nicht aus, einen erdgroßen Zwillingswelt in einer habitablen Zone zu finden. Denn je weiter ein erdgroßer Planet von seiner Heimatstern entfernt ist, desto schwerer gestaltet sich seine Detektion via Radialgeschwindigkeit, vor allem dann, wenn ein solcher in dem Grüngürtel des jeweiligen Systems Position bezogen hat, also einen gewissen Mindestabstand zu seiner Sonne einhält.
Sollte aber ESPRESSO (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet- and Stable Spectroscopic Observations) als Instrument der nächsten Generation in drei bis vier Jahren am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Paranal zum Einsatz kommen, seien die Aussichten exzellent, einen irdischen Zwilling zu finden,
Einmal installiert und in Betrieb, soll ESPRESSO zehn Mal empfindlicher als HARPS sein und selbst das Schwanken eines Sterns messen können, der in einer Sekunde nur um zehn Zentimeter wackelt.
Vorerst gehen die Beobachtungen weiter, zumindest so lange das stellare Duo auf Distanz bleibt und im Zuge seiner exzentrischen Orbits nicht wieder auf Tuchfühlung geht. "Wir interessieren uns natürlich weiterhin für dieses spezielle System, das erdnächste überhaupt. Wir werden Alpha Cen A und B auch künftig beobachten", so Udry. "Allerdings nähern sich beide Sterne auf ihren Orbits wieder aufeinander zu. Dann müssen wir uns wieder in Geduld üben und so lange warten, bis sie sich wieder voneinander entfernt haben."
ESO-Video: "A fly-through of the Alpha Centauri system"
Paper: "An Earth mass planet orbiting Alpha Centauri B" (Nature, 17. October 2012; DOI: 10.1038/nature11572)