Mini-Invasion der Exoplaneten

Teleskop der Europäischen Südsternwarte entdeckt mithilfe des HARPS-Spektrographen drei neue Planetensysteme mit massearmen und massereichen Sterntrabanten

Auf der Extra-Solar-Super-Earths- Konferenz (16.-18. Juni 2008) in Nantes (Frankreich) verkündete der weltbekannte Planetenjäger Michel Mayor die Entdeckung von drei Super-Erden um den 42 Lichtjahre entfernten Stern HD 40307. Maßgeblichen Anteil an dem Fund hatte nicht nur das Team um Mayor, das besagte Region fünf Jahre unter die Lupe nahm, sondern auch HARPS, ein Spektrograph, der an dem 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte ESO in La Silla (Chile) installiert ist und mit dem bereits mehrfach Exoplaneten detektiert wurden. Mithilfe von HARPS spürten die Forscher noch zwei weitere Planetensysteme auf, in denen insgesamt fünf Exoplaneten zuhause sind.

Vorbei sind die Zeiten, da so manch konservativer Astronom, der gefangen in seinem angestaubten anthropozentrischen Weltbild die Welt eher verklärte als erklärte, unseren Heimatplaneten und das Sonnensystem zur kosmischen Ausnahme stilisierte. Die Erde sei das Maß aller Dinge und das Sonnensystem, in dem damals noch neun, heute indes acht Planeten http://www.iau.org/public_press/news/release/iau0603/ beheimatet sind, sei eine – im wahrsten Sinne des Wortes – singuläre Randerscheinung. Ein andere erdähnliche Welt da draußen, ein anderes Solarsystem mitsamt Trabanten sei nicht im Plan der Natur vorgesehen – soweit die ehemaligen Skeptiker, die inzwischen eines Besseren belehrt worden sind.

Mehr Exoplaneten als Sterne

Heute quittieren selbst konservative Wissenschaftshistoriker diesen absonderlichen Pessimismus mit Kopfschütteln. Dass in den Annalen der Wissenschaft derweil eine gegenteilige Erkenntnis publizistischen Niederschlag gefunden hat, kann jeder Skeptiker in Fachjournalen wie Science, Nature oder Astronomy and Astrophysics nachlesen. Seither geht die Mehrheit der Planetenforscher sogar davon aus, dass Exoplaneten in unserer Milchstraße zahlreicher vertreten sind als alle stellaren Gebilde der Galaxis zusammengenommen. Die extrasolaren Planeten haben den funkelnden Sternen allerorts den Rang abgelaufen.

Ähnlich sieht dies der Schweizer Astronom Michel Mayor, fraglos einer der berühmtesten Pioniere dieser astronomischen Teildisziplin. Er, der bislang selbst Dutzende Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckte, wirft wohl nicht zu Unrecht folgende Frage auf: „Beherbergt jeder einzelne Stern Planeten – und wenn ja: wie viele? Wir haben hierauf vielleicht noch keine Antwort, aber wir nähern uns ihr mit großen Schritten.“

Drei Super-Erden auf einen Schlag

Mayor weiß, wovon er spricht und worüber er vorgestern in Nantes (Frankreich) auf der „Extra-Solar-Super-Earths”-Konferenz doziert hat. Schließlich ist ihm zusammen mit seinen Kollegen Stephane Udry, Didier Queloz, Christophe Lovis und Francesco Pepe von dem Genfer Observatorium und der hiesigen Universität ein spektakulärer Fund geglückt, der seinesgleichen sucht. Was bislang noch kein Planetenjägerteam fertiggebracht hat, gelang Mayor und seinem Team auf einen Schlag. Sie spürten mit dem HARPS-Spektrographen http://www.ls.eso.org/lasilla/sciops/3p6/harps/index.html des 3,6-Meter-Teleskops der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf La Silla (Chile) gleich drei Sternsysteme mitsamt acht Planeten auf.

Am spektakulärsten ist dabei jener Fund, den sie in 42 Lichtjahre Entfernung machten. In dem erdnahen System lokalisierten sie in der Nähe der Südregion des Sternbildes Dorado (Goldfisch/Schwertfisch) und dem Pictor-Sternbild um den sonnenähnlichen Stern HD 40307 gleich drei sogenannte Super-Erden. „Wir haben über fünf Jahre hinweg sehr genaue Messungen der Geschwindigkeit des Sterns HD 40307 vorgenommen, die ganz klar die Anwesenheit von drei Planeten belegen“, bestätigt Mayor.

Mit der 4,2-fachen, 6,7-fachen und 9,4-fachen Masse der Erde gereichen alle drei Planeten ihrem Namen Super-Erde zur Ehre, zählen doch Astronomen zu diesem Typus jene Exoplaneten, die in der Grauzone zwischen zwei und 15 Erdmassen liegen, also etwas massereicher als die Erde, aber weniger massereich als Uranus und Neptun (15-fache Erdmasse) sind. Das Trio umkreist seinen Heimatstern, der gleichwohl eine etwas geringere Masse als die Sonne hat, einmal in 4,31, in 9,62 und 20,44 Tagen.

Hilfreicher Tanz der Sterne

Aufgespürt wurden die neuen Exoplaneten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode. 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 Schwanken von HD 40307 zu messen, mussten die ESO-Astronomen mit dem zur Verfügung stehenden Equipment die so genannte Radialgeschwindigkeitsamplitude bis auf wenige Meter pro Sekunde optimieren.

Hilfreicher HARPS-Spektrograph

Durchführbar wurde dies mithilfe eines Messgeräts, mit dem Forscher der ESO in Chile seit Mitte 2004 operieren. HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher), so das Akronym des Wunderteils, das von einem internationalen Team unter der Leitung von Michel Mayor entwickelt und am 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) in La Silla montiert wurde, ermöglicht den Forschern eine zehnmal genauere Ausnutzung der Messung der Radialgeschwindigkeit als zuvor.

Als Spektrograph zerlegt HARPS das Sternenlicht in seine Wellenlängen und misst dabei zugleich, inwieweit sich ein Stern auf die Erde zu- oder von ihr fortbewegt. HARPS ist derart empfindlich, dass er selbst das Wackeln eines Sterns, der infolge der Gravitation seines Begleiters nur um einen Meter pro Sekunde eiert, problemlos erfassen kann. In anderen Worten: HARPS könnte selbst noch Geschwindigkeitsänderungen eines Fußgängers messen – und das in einem Radius von bis zu 160 Lichtjahren von der Erde entfernt.

„Mit dem Beginn des Einsatzes noch genauerer Instrumente wie des HARPS-Spektrographen des 3,6-Meter-Teleskops der ESA auf La Silla (Chile) können wir nun kleinere Planeten ausmachen, die die 2- bis 4-fache Masse der Erde aufweisen“, freut sich Stephane Udry. „Die von den Planeten verursachten Störungen sind sehr klein, da die Masse des kleinsten Planeten 100-mal geringer ist als die des Sterns. Nur die hohe Empfindlichkeit von HARPS machte es möglich, die Exoplaneten zu entdecken“, sagt auch François Bouchy vom Institut d’Astrophysique de Paris.

Zwei weitere Systeme mit fünf Planeten

Auf der gleichen Konferenz verkündeten die Astronomen zudem die Entdeckung zweier weiterer Planetensysteme, die der HARPS-Spektrograph ebenfalls lokalisierte. Während in einem System eine weitere Super-Erde von 7,5 Erdmassen den Stern HD 181433 alle 9,5 Tage umkreist, der von einem Jupiter-ähnlichen Gasriesen begleitet wird, machten die Planetenjäger in einem anderen Planetensystem einen Sterntrabanten mit der 22-fachen Masse der Erde aus. Dieser umrundet seinen Mutterstern einmal binnen vier Tage. Daneben fanden sie noch einen Saturn-ähnlichen Planeten, der seine Sonne alle drei Jahre umrundet.

"Es ist klar, dass diese Planeten nur die Spitze des Eisbergs darstellen", erklärt Mayor. "Die Analyse von allen Sternen, die HARPS studierte, zeigt, dass etwa ein Drittel aller sonnenähnlichen Sterne entweder über Super-Erden oder Neptun-ähnliche Planeten mit einer Umlaufdauer von weniger als 50 Tagen verfügen."

Auch wenn die meisten der bisher 303 entdeckten und bestätigten Exoplaneten größtenteils massereiche, heiße oder kalte, auf jeden Fall höchst unbewohnbare Welten und mitnichten erdähnlich sind, ist es jedoch nur noch eine Frage der Sensibilität der Technik und Effektivität der Observationsmethode, bis der erste Fund eines terrestrischen Exoplaneten gelingt. "Es ist höchst wahrscheinlich, dass im Weltall noch viel mehr Planeten existieren: nicht allein Super-Erden und Neptun-ähnliche Planeten mit längeren Umlaufzeiten, sondern auch erdähnliche Planeten, die wir bislang noch nicht entdecken können.“ Zähle man die Vielzahl der Jupiter-ähnlichen Planeten hinzu, so Stephane Udry, müsse daraus gefolgert werden, dass Planeten allgegenwärtig sind.

Über die aktuelle Entdeckung berichten Mayor und seine Kollegen in der nächsten, möglicherweise auch erst in der übernächsten Ausgabe des Fachmagazins „Astronomy and Astrophysics“. Kurzinterview (Video) mit Michel Mayor, worin er auch auf HARPS eingeht.