21.06.2003 / Autor: Michael Stein Astronomie > Extrasolare Planeten

CHEOPS auf Planetenjagd

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) wollen ab 2008 im Rahmen des Projekts CHEOPS mit bodengestützten Großteleskopen der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile Planeten in anderen Sonnensystemen entdecken und abbilden.

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Eines der vier 8,2 Meter-Teleskope, die gemeinsam das Very Large Telescope (VLT) des Paranal-Observatoriums der ESO in Chile bilden.
(Foto: ESO)
Das Vorhaben klingt zunächst fantastisch: Ein noch zu entwickelndes Instrument soll in einem Radius von bis zu 300 Lichtjahren um unser Sonnensystem herum mit Hilfe des europäischen Very Large Telescope (VLT) in Chile Jupiter-ähnliche Planeten entdecken können. Anders als bei bisherigen Verfahren sollen damit auch und vor allem Planeten entdeckt werden können, die weit von ihrem Zentralgestirn entfernt ihre Kreise (oder genauer: Ellipsen) drehen. Bei CHEOPS geht es jedoch nicht nur um die bloße Entdeckung von extrasolaren Planeten, gleichzeitig sollen auch einzelne Bestandteile der Planetenatmosphäre identifiziert werden (was bisher noch nie gelungen ist) - und das nicht mit Hilfe eines Satelliten, sondern von der Erdoberfläche aus!

Das in Heidelberg ansässige MPIA wird in einem ersten Schritt zusammen mit weiteren zehn Instituten aus fünf europäischen Ländern zunächst eine Machbarkeitsstudie durchführen, die im Ergebnis nachweisen soll, dass ein derartig verwegenes Vorhaben mit Aussicht auf Erfolg in reale Technologie umgesetzt werden kann - denn "ideas are cheap", wie es Dr. Jakob Staude vom MPIA im Gespräch mit Raumfahrer.net formulierte. Die Aussichten auf eine anschließende Realisierung von CHEOPS sind nicht schlecht, da für das Projekt Kosten in der vergleichsweise geringen Höhe von sieben Millionen Euro vorgesehen sind - angesichts der dreistelligen Millionenbeträge, die für satellitengestützte Forschungsmissionen mit derselben Zielrichtung einzukalkulieren sind (wie die ESA-Mission DARWIN oder der Terrestrial Planet Finder der NASA), ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis von CHEOPS nur schwer zu schlagen.

Bis in fünf oder sechs Jahren vielleicht tatsächlich von den ersten Entdeckungen CHEOPS zu berichten sein wird, müssen die Wissenschaftler und Ingenieure der beteiligten Institute noch einige Klippen meistern. Zunächst einmal wird CHEOPS auf die Hilfe der leistungsfähigsten Großteleskope angewiesen sein, die die Europäische Südsternwarte in Chile zu bieten hat: Einer der vier gigantischen, 8,2 Meter durchmessenden Spiegel des Very Large Telescope (VLT) wird das Licht der Sterne unserer kosmischen Nachbarschaft auffangen und sammeln.

Vom MPIA wird für CHEOPS ein neues, sogenanntes "Adaptives Optiksystem" entwickelt, um die Störungen, die das Sternenlicht auf dem Weg durch unsere Atmosphäre aufgrund der allgegenwärtigen Luftturbulenzen erfährt, zum größten Teil auszugleichen; das bei den Auswertungsinstrumenten von CHEOPS ankommende Sternenlicht wird dann beinahe so ruhig und unverzerrt sein, als ob das Teleskop auf einem Satelliten außerhalb der Erdatmosphäre platziert wäre! Da aufgrund der enormen kosmischen Entfernungen die Abstände zwischen den Sternen und den gesuchten Planeten extrem gering sind (weniger als eine Winkelsekunde) und darüber hinaus die Planeten von ihren jeweiligen Zentralgestirnen mit bis zu einhundertmillionenfacher Helligkeit (!) überstrahlt werden, ist eine derartig präzise Abbildung notwendig, um die Suche mit Aussicht auf Erfolg aufnehmen zu können.



Einer der riesigen 8,2 Meter-Spiegel, wie er in den Teleskopen des Very Large Telescope (VLTs) des Paranal-Observatoriums der ESO in Chile zum Einsatz kommt.
(Foto: ESO)
Doch das ist nur der erste Schritt: Danach steht die schwierige Aufgabe an, festzustellen, ob das vom Teleskop eingefangene Sternenlicht "reiner" Natur oder aber die gesuchte Mélange ist - eine Mélange, bestehend aus einem großen Teil reinen Sternenlichts und ein wenig Licht, das von einem fremden Planeten reflektiert worden ist, bevor es den weiten Weg zur Erde antrat. Glücklicherweise ist Licht nicht gleich Licht - zumindest dann nicht, wenn man es mit den richtigen Instrumenten betrachtet. Der Name des Projekts, CHEOPS, ist eine Abkürzung für "Charakterisierung Extrasolarer Planeten durch Opto-infrarote Polarimetrie und Spektroskopie" und verrät damit schon, wo die Wissenschaftler ansetzen werden, um das von extrasolaren Planeten reflektierte Licht vom dem ihrer Heimatsonnen zu unterscheiden: Die verschiedenartige Polarisation und das unterschiedliche Spektrum sind die Schlüssel für das Auffinden extrasolarer Planeten.

Das direkt von dem beobachteten Stern zu uns gelangte Licht ist nicht polarisiert, während das von einem Planeten zurückgestrahlte Licht eine Polarisation aufweist. Von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich soll für CHEOPS ein so genannter differentieller Polariemeter entworfen werden, der in der Lage sein wird, die einzelnen Photonen des vom Teleskop aufgefangenen Sternenlichts nach ihrer Polarisation zu sortieren. Auch das Spektrum des Sternenlichts, das von einem extrasolaren Planeten reflektiert worden ist, unterscheidet sich deutlich von dem Sternenlicht, das ohne Umwege den Weg zum Teleskop gefunden hat, und bietet sich damit ebenfalls als Unterscheidungsmerkmal an. Hierfür wird das Observatorium von Padua einen Spektrometer liefern, der diese Aufgabe bewältigen soll.

Das Ziel dieser enormen Anstrengungen sollen dann Abbildungen von Planeten sein, die um fremde Sonnen kreisen. Die Wissenschaftler halten es aufgrund der bisher angestellten Berechnungen für realistisch, mit Hilfe von CHEOPS Planeten bis zu einer Entfernung von etwa 50 Lichtjahren entdecken zu können. Bei relativ jungen Sternensystemen, deren Planeten aufgrund ihres geringen Alters noch vergleichsweise heiß sind und wegen ihrer damit einhergehenden intensiveren Infrarotemissionen leichter entdeckt werden können, hofft man sogar noch bis in eine Entfernung von 300 Lichtjahren Planeten ausmachen zu können!

Die bisher gut einhundert entdeckten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sind alle mit indirekten Verfahren gefunden worden: Sie verrieten sich, weil sie entweder von der Erde aus gesehen direkt vor ihrem Zentralgestirn entlangwanderten und dadurch die sichtbare Helligkeit des Sterns um einen winzigen Faktor reduzierten, oder weil sie aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft während des Umlaufs um ihren Zentralstern diesen leicht hin- und herschwanken ließen - natürlich wieder nur in extrem geringem Maße, aber genug, um mit der heutigen, unsere Vorstellungskraft beinahe übersteigenden Technologie moderner Observatorien registriert zu werden.

Mit CHEOPS hingegen werden extrasolare Planeten erstmals auf direktem Wege entdeckt werden können. Vor allem ist es dabei nicht notwendig, dass die Planeten sehr nahe um ihren Heimatstern kreisen (ganz im Gegenteil) - und da bei der Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystem unausgesprochen immer auch die Suche nach anderen Lebensformen im Hintergrund steht, ist ein fremdes "Sonnensystem", dessen Planeten in gebührendem Abstand um ihren Zentralstern kreisen, natürlich interessant.



Schematische Darstellung von CHEOPS. Orange ist das differentielle Polarimeter und grün der abbildende Spektrograph dargestellt.
(Grafik: MPIA)
Vollends faszinierend wird der Ansatz von CHEOPS dadurch, dass erstmals auch spektrale Informationen über die Atmosphäre extrasolarer Planeten gewonnen werden sollen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, nach einzelnen chemischen Elementen in der Atmosphäre fremder Planeten zu suchen - "und man wird vor allem nach freiem Sauerstoff suchen", sagte Dr. Staude gegenüber Raumfahrer.net. Warum gerade nach diesem Element? Dass ungebundener Sauerstoff für die Forscher so interessant ist, liegt daran, dass es sich dabei um ein äußerst reaktionsfreudiges chemisches Element handelt, erläuterte Dr. Staude weiter; freier Sauerstoff bleibt also nie lange alleine, da er in kurzer Zeit Verbindungen mit anderen Elementen eingehen wird (wie beispielsweise beim Eisen, und das Ergebnis dieser Verbindung kennen wir alle: Rost). Wenn also CHEOPS Spuren von freiem Sauerstoff bei der spektralen Analyse von Sternenlicht finden sollte, das zuvor von einem extrasolaren Planeten reflektiert worden ist und damit gewissermaßen den "Stempel" der Atmosphäre dieses Planeten aufgedrückt bekommen hat, dann würde dies, dann muss dies bedeuten, dass dort ständig neuer Sauerstoff gebildet wird - ansonsten würde er in ungebundener Form aus dem zuvor geschilderten Grund nicht vorkommen.

Diese Bedingung gilt natürlich auch für die Erdatmosphäre. Wir wissen alle, wodurch auf unserem Planeten ständig neuer ungebundener Sauerstoff gebildet wird: Er wird als Nebenprodukt der pflanzlichen Photosynthese immer wieder neu erzeugt. Das Vorhandensein von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre ist also ein starkes Indiz für pflanzliches Leben, wie wir es kennen.

Das wäre dann wohl das spektakulärste Ergebnis, das sich die Wissenschaftler von CHEOPS erhoffen können - einen Hinweis auf einen fremden Planeten, dessen Atmosphäre durch lebende Organismen mit Sauerstoff angereichert wird, einen Hinweis auf Leben außerhalb unserer Erde, ein Indiz das besagt: Ihr seid nicht allein.

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