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Autor: Ralph-Mirko Richter / 19. April 2013, 20:06 Uhr

Exoplaneten in der habitalen Zone fremder Sterne

Am gestrigen Tag gab die NASA bekannt, dass mit dem Kepler-Weltraumteleskop zwei potentiell erdähnliche Exoplaneten entdeckt wurden, welche ihren Zentralstern in dessen habitabler Zone umkreisen. Die ermittelten Durchmesser der Planeten führen zu dem Schluss, dass es sich hierbei um Gesteinsplaneten handelt. Sollte dies zutreffen, dann wären die beiden Planeten die bislang aussichtsreichsten Kandidaten für potentiell lebensfreundliche Planeten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich auf diesen Planeten auch tatsächlich Leben entwickelt haben muss.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, JPL, Science
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NASA Ames Research Center, JPL-Caltech

Bild vergrößernEine künstlerische Darstellung des Exoplaneten Kepler-62e, welcher sich innerhalb der habitablen Zone um seinen Stern bewegt und somit zumindestens theoretisch flüssiges Wasser beherbergen könnte.
(Bild: NASA Ames Research Center, JPL-Caltech)
Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 konnten Astronomen bis zum heutigen Tag 871 Exoplaneten nachweisen. Der Wunsch eines jeden "Exoplanetenjägers" ist es vermutlich, bei seiner Suche eine "zweiten Erde" zu entdecken - also eines außerhalb unseres Sonnensystems gelegenen Planeten, welcher theoretisch über die Umweltbedingungen verfügen könnte, um dort die Entstehung und Weiterentwicklung von außerirdischen Lebensformen zu ermöglichen.

Hierbei, so die Minimalanforderungen, müsste es sich um einen terrestrischen Planeten handeln, welcher seinen Zentralstern im Bereich von dessen habitabler Zone umläuft und der somit theoretisch Bedingungen aufweist, welche das dauerhafte Vorhandensein von Wasser im flüssigen Aggregatzustand ermöglichen. Nur unter dieser Voraussetzung, so die gegenwärtig allgemein anerkannte Meinung, besteht die Möglichkeit, dass sich Leben bilden kann.

Jetzt scheinen die Astronomen diesem Ziel einen großen Schritt näher gekommen zu sein: Am gestrigen Tag gab die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA im Rahmen einer Pressekonferenz bekannt, dass mit dem auf die Exoplanetensuche spezialisierten Weltraumteleskop Kepler die Entdeckung von zwei Exoplaneten gelang, welche als "potentiell erdähnlich " eingestuft werden und die ihren Zentralstern "Kepler-62" zudem innerhalb von dessen habitabler Zone umkreisen.

Das System von Kepler-62

Der im Sternbild Leier (lateinischer Name "Lyra") gelegene und etwa 1.200 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernte Stern Kepler-62 ist ein wenig kleiner und kühler als unsere Sonne ( Spektraltyp von Kepler-62: K2V; geschätzte Masse: 0,7 Sonnenmassen; geschätzter Radius: 0,63 Sonnenradien). Das Alter des Sterns wird auf etwa sieben Milliarden Jahre geschätzt. Zum Vergleich: Das Alter unserer Sonne beträgt etwa 4,6 Milliarden Jahre.

Im Orbit von Kepler-62 konnten die Astronomen jetzt mittels der sogenannten Transitmethode fünf Planeten nachweisen. Das Planetensystem ist so ausgerichtet, dass die Planeten aus der Sicht eines auf der Erde befindlichen Beobachters in regelmäßigen Abständen vor ihrem Mutterstern vorbeiziehen. Dabei nimmt die Helligkeit des beobachteten Sterns bei jedem "Transit" eines Planeten um einen winzigen Bruchteil ab, da der den Stern bedeckende Planet einen Teil des von seinem Zentralgestirn ausgehenden Lichts abschirmt. Je größer der beobachtete Exoplanet ist beziehungsweise je enger dessen Umlaufbahn um den Stern ausfällt, umso größer fällt dabei der Anteil der verdeckten Sternoberfläche aus und umso stärker nimmt dadurch auch die Helligkeit des bedeckten Sterns ab.

TEP-Network, H. Deeg, Carrido

Diese Lichtkurve des Exoplaneten HD 209458b wurde in der Nacht vom 26. auf den 27. Juli 2000 am 0,9-Meter-Teleskop in Sierra Nevada aufgenommen.
(Bild: TEP-Network, H. Deeg, Carrido)
Auf diese Weise kann das Kepler-Weltraumteleskop, welches seit dem Jahr 2009 im Rahmen einer permanenten Himmelsbeobachtung im Bereich der Sternbilder Schwan und Leier einen Himmelsbereich mit einem Durchmesser von 12 Grad - dies entspricht in etwa dem 24-fachen Durchmesser des Vollmondes - abbildet und dabei extrem genaue Helligkeitsmessungen durchführt, Planeten um weit entfernte Sterne nachweisen. Die im Rahmen dieser Beobachtungen bei Kepler-62 nachgewiesenen Exoplaneten werden, den üblichen Konventionen folgend, als die Exoplaneten Kepler-62b bis Kepler-62f bezeichnet.

NASA Ames Research Center, JPL-Caltech

Bild vergrößernEin Vergleich des Planetensystems um den Stern Kepler-62 mit unserem eigenen Sonnensystem. Die Planetenumlaufbahnen (oben und unten in der Grafik) sind relativ zueinander im richtigen Maßstab dargestellt. Die Planetengrößen selbst (Mitte) befinden sich untereinander ebenfalls im richtigen Maßstab. Die habitable Zone - sofern sich dort ein Planet befindet, kann auf dessen Oberfläche prinzipiell flüssiges Wasser existieren - ist grün eingezeichnet. Kepler-62e und Kepler-62f sind die bislang aussichtsreichsten Kandidaten für lebensfreundliche Planeten.
(Bild: NASA Ames Research Center, JPL-Caltech)
Zwei Planeten in der habitablen Zone

Ein wichtiger Aspekt der Erforschung von Exoplaneten ist die Suche nach Planeten, auf denen die richtigen Bedingungen für die Entstehung und Weiterentwicklung von Leben herrschen könnten. Die Entdeckung solcher Planeten wäre ein Schritt in Richtung auf das Ziel, solches "außerirdisches Leben" dann tatsächlich auf fernen Planeten nachzuweisen. Gerade in dieser Hinsicht sind zwei der neu entdeckten Planeten - Kepler-62e und Kepler-62f - für die Astronomen und Exobiologen hochinteressant.

Dr. Lisa Kaltenegger vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Boston/USA ist eine Expertin für die Atmosphären insbesondere erdähnlicher Exoplaneten und war, obwohl sie kein Mitglied des Kepler-Teams ist, dafür verantwortlich, die potenzielle Lebensfreundlichkeit der Planeten des Kepler-62-Systems abzuschätzen.

"Ich habe von dieser spannenden Entdeckung erstmals von William Borucki [der Chefwissenschaftler der Kepler-Mission] gehört, der mich im Oktober 2012 auf einer Konferenz ansprach. Das Kepler-Team hat mich dann gebeten, zu untersuchen, ob Kepler-62e oder Kepler-62f in die lebensfreundliche 'habitable Zone' ihres Heimatsterns fallen. Wie sich herausstellt, ist das der Fall - und diese Planeten sind etwas ganz Besonderes, weil sie die bislang kleinsten sind, die wir in der habitablen Zone eines Sterns gefunden haben", so Dr. Lisa Kaltenegger.

Laut den bisherigen Analysen fällt der Radius von Kepler-62e etwa 1,61 Mal so groß wie jener der Erde aus, während Kepler-62f über einen 1,41 Mal so großen Radius verfügt. Der vorher kleinste bekannte Exoplanet, welcher sich in der habitablen Zone eines Sterns bewegt, war der Exoplanet Kepler-22b mit einem 2,4-fachen Erdradius.

Lisa Kaltenegger (MPIA)

Bild vergrößernMassen und Radien von verschiedenen ausgewählte Planeten. Die eingezeichneten Kurven zeigen den Zusammenhang zwischen der Masse und dem Radius (entspricht der mittleren Dichte) für verschiedene Arten von Planeten. Die blaue Linie entspricht beispielsweise Planeten, welche überwiegend (zu mehr als 75 Prozent) aus Wasser bestehen, die schwarze Linie solchen, die wie unsere Erde überwiegend aus Fels bestehen. Die gemessenen Radien von Kepler-62e und Kepler-62f plus eine Abschätzung ihrer Massen sind als blaue Flächen eingezeichnet und zeigen, dass es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um erdähnliche Planeten handelt. Der Exoplanet Kepler-11f, ein Mini-Neptun, zeigt dagegen, dass eine verhältnismäßig niedrige Masse alleine noch nicht heißt, dass es sich dabei um einen erdähnlichen Planeten handeln muss.
(Bild: Lisa Kaltenegger (MPIA))
"Bisher waren alle interessanten Planeten in habitablen Zonen solche, die mit der sogenannten Radialgeschwindigkeitsmethode nachgewiesen worden waren. Dieses Verfahren liefert aber naturgemäß nur eine Untergrenze für die Masse eines Planeten, und keine Information über seinen Radius. Allein aufgrund der Masse ist es aber schwierig zu beurteilen, ob es sich um einen erdartigen Planeten, also einen Planeten mit fester Oberfläche handelt. Ein Radius von weniger als dem Doppelten des Erdradius' ist dagegen ein deutliches Zeichen, das es sich um einen erdähnlichen Planeten handelt - es sei denn, wir betrachteten einen Planeten, der einen äußerst jungen Stern umkreist", so Dr. Kaltenegger weiter.

Dass es sich bei den neu entdeckten Planeten tatsächlich um Felsplaneten mit einer soliden Oberfläche und nicht etwa um Gasplaneten wie zum Beispiel Jupiter oder Neptun handelt, ist ein Schlüsselaspekt der gestern bekannt gegebenen Entdeckung. Die interessantesten sicheren Kandidaten für "habitable Planeten", welche zuvor bekannt waren - es handelt sich dabei um die Exoplaneten GJ 667Cc, Gl 581d, HD 85512b und Gl 163c - wurden durchweg mit der Radialgeschwindigkeitsmethode nachgewiesen. Diese Methode lässt jedoch lediglich Rückschlüsse auf die Mindestmasse der auf diese Weise entdeckten Planeten zu.

Wahrscheinlichkeitsüberlegungen zeigen jedoch, dass die tatsächliche Masse der so entdeckten Planeten in den meisten Fällen zwischen dieser Mindestmasse und dem Doppelten der Mindestmasse liegt. Für die erwähnten Kandidaten würde dies bedeuten, dass es sich um Felsplaneten, aber durchaus auch um Miniaturversionen des Neptun - also um Gasplaneten - handeln könnte. Ein Beispiel hierfür ist der Exoplanet Kepler-11f. Hierbei handelt es sich um einen "Mini-Neptun", welcher trotz eines 2,6fachen des Erdradius lediglich über eine Masse von etwa 2,3 Erdmassen verfügt.

Könnte dort "Leben" existieren?

Ob ein Planet letztendlich jedoch wirklich lebensfreundlich ist oder nicht, hängt davon ab, ob auf seiner Oberfläche flüssiges Wasser existieren kann, denn dies ist eine der Grundvoraussetzungen für Leben, wie wir es kennen.

"Aussagen über die Lebensfreundlichkeit eines Planeten hängen immer von zusätzlichen Annahmen ab. Nehmen wir an, bei Kepler-62e und Kepler-62f handelt es sich in der Tat um Felsplaneten, wie ihre Radien nahelegen. Nehmen wir weiterhin an, dass es auf diesen Planeten Wasser gibt, und dass ihre Atmosphäre eine ähnliche Zusammensetzung hat wie jene der Erde, also vor allem Stickstoff, mit Anteilen von Wasser und Kohlenstoffdioxid. Unter diesen Voraussetzungen könnten beide Planeten flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche besitzen. Kepler-62f empfängt weniger Strahlungsenergie von seinem Stern als die Erde von der Sonne und würde dementsprechend mehr Treibhausgase benötigen als die Erde, etwa Kohlenstoffmonoxid, um nicht einzufrieren. Kepler-62e ist seinem Stern näher und benötigt eine hinreichend dichte Wolkendecke, mit der er Strahlungsanteile des Sterns reflektieren kann, damit flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche möglich ist", so Dr. Kaltenegger.

Lisa Kaltenegger (MPIA)

Bild vergrößernDie habitable Zone in der Umgebung eines Sterns, in der theoretisch flüssiges Wasser auf einer Planetenoberfläche existieren kann, wird in dieser Grafik für verschiedene Sterne dargestellt. Oben sind die inneren Planeten unseres eigenen Sonnensystems zu sehen, von denen sich die Erde und der Mars innnerhalb der hiesigen habitablen Zone befinden. Kepler-62 ist deutlich kühler als die Sonne, aber auch die dortigen Planeten Kepler-62e und -62f befinden sich in dessen habitablen Zone. Für Kepler-69c ist der Energieausstoß seines Sterns dagegen nicht ausreichend genug bekannt. Die Fehlertoleranz der erfolgten Messungen lässt es prinzipiell zu, dass sich auch dieser Planet möglicherweise in der habitablen Zone seines Sterns befindet. Kepler-22b, der bis zu den jüngsten Entdeckungen kleinste Planet in der habitablen Zone seines Sterns, ist mit großer Wahrscheinlichkeit ein Mini-Neptun und nicht etwa ein erdähnlicher Planet. Was in dieser Grafik als empirische habitable Zone bezeichnet wird bezeichnet den Abstandsbereich, in dem flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche existieren kann, falls der betreffende Planet eine ausreichende Wolkendecke besitzt. In der konservativen habitablen Zone kann flüssiges Wasser dagegen auf der Planetenoberfläche auch ohne das Vorhandensein einer abschirmenden Wolkendecke existieren.
(Bild: Lisa Kaltenegger (MPIA))
Der Planet Kepler-62e benötigt für einen Umlauf um seinen Stern 122 Tage. Die Umlaufdauer des weiter außen gelegene Kepler-62f beträgt dagegen 267 Tage. Die weiter innen gelegenen Planeten Kepler-62b, Kepler-62c und Kepler-62d umkreisen ihren Zentralstern dagegen innerhalb von fünf, 12 und 18 Tagen. Die sich daraus ergebende Nähe zu dem Stern führt bei diesen drei Planeten zu sehr hohen Oberflächentemperaturen, welche die Existenz von Lebensformen definitiv ausschließen.

Eine "zweite Erde"?

Eine eventuell gegebene "Habitabilität" eines Exoplaneten bedeutet jedoch nicht notwendigerweise, dass der betreffende Planet unserem Heimatplaneten bis ins letzte Detail gleicht. Vielmehr würde es sich bei Planeten, welche über einen hinreichend größerem Radius als die Erde verfügen - und dies ist bei Kepler-62e und Kepler-62f offenbar der Fall - bei gleicher chemischer Zusammensetzung höchstwahrscheinlich um Wasserwelten handeln, deren Oberfläche von einem tiefen, globalen Ozean bedeckt ist.

Das Ergebnis einer Habitabilitäts-Analyse zeigt somit nicht zwingend, dass der betreffende Planet tatsächlich habitabel ist, sondern lediglich, dass er es - die richtigen Atmosphärenbedingungen vorausgesetzt - sein könnte. Eine detaillierte Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten ist mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Teleskopen allerdings noch nicht möglich. Erst die nächste Generation von Teleskopen wird in der Lage sein, die hierfür erforderlichen spektroskopischen Analysen mit der erforderlichen Präzision durchzuführen, wobei dann auch eine Art "chemischen Fingerabdruck" des zu untersuchenden Planeten gewonnen werden kann.

Ein wichtiger Teilbereich der Arbeit von Dr. Kaltenegger und ihren Kollegen besteht deshalb gegenwärtig darin, diverse Modelle anzufertigen, welche zeigen, wie die chemischen Fingerabdrücke bestimmter Planeten, eben beispielsweise auch von Kepler-62e und Kepler-62f, aussehen könnten. Letztlich, so das Ziel der Wissenschaftler, könnten zukünftigen Beobachtungen eventuell sogar die chemischen Spuren von Leben auf einem fremden Planeten zutage fördern.

Bis es jedoch soweit ist müssen sich die Astronomen damit begnügen, die potentielle Habitabilität neu entdeckter Planeten unter der Einbeziehung aller derzeit verfügbaren Daten abzuschätzen. Und die Bewertung von Dr. Lisa Kaltenegger führt zu dem Ergebnis, dass die beiden Exoplaneten Kepler-62e und Kepler-62f die derzeit aussichtsreichsten Kandidaten sind, von denen die Astronomen bislang wissen.

Dr Kaltenegger: "Was Kepler-62e und Kepler-62f so spannend macht, ist zweierlei: Zum einen kennen wir ihren Radius, und der weist daraufhin, dass es sich in der Tat um erdähnliche Planeten handelt. Außerdem liegen diese Planeten in der habitablen Zone ihres Sterns. Das macht sie zu den besten Kandidaten für habitable Planeten, die wir kennen. Und es war sehr aufregend für mich, bei dieser bahnbrechenden Entdeckung der Kepler-Mission dabei gewesen zu sein."

Die Entdeckung der Exoplaneten im Bereich des Sternsystems Kepler-62 wurde am gestrigen Tag in der Fachzeitschrift "Science" unter dem Titel "Kepler-62: A five-planet system with planets of 1.4 and 1.6 Earth-radii in the Habitable Zone" publiziert.

Ein weiterer Planet in der habitablen Zone

NASA Ames Research Center, JPL-Caltech

Bild vergrößernDiese Grafik zeigt den Aufbau des Systems Kepler-69 im Vergleich zu unserem Sonnensystem. Der Exoplanet Kepler-69c umrundet seinen Zentralstern am inneren Rand der dortigen habitablen Zone.
(Bild: NASA Ames Research Center, JPL-Caltech)
Neben der Entdeckung der fünf Planeten im System von Kepler-62 wurden im Rahmen der gestrigen Pressekonferenz auch zwei weitere neu entdeckte Exoplaneten vorgestellt, welche den Stern Kepler-69 umrunden. Der Stern Kepler-69 gleicht in etwa unserer Sonne. Er verfügt über die gleiche Spektralklasse (Typ "G") und weist in etwa 93 Prozent des Sonnen-Durchmessers auf. Kepler-69 befindet sich rund 2.700 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt im Sternbild Schwan (lateinisch "Cygnus").

Einer der beiden im Bereich dieses Sterns entdeckten Planeten, Kepler-69c, verfügt über einen etwa 70 Prozent größeren Durchmesser als die Erde und umkreist seinen Zentralstern ebenfalls in der habitablen Zone. Für einen Umlauf um seinen Stern benötigt dieser Planet 242 Tage, was in etwa der Umlaufdauer der Venus um unsere Sonne entspricht. Ob es sich bei Kepler-69c ebenfalls um einen Gesteinsplaneten handelt, können die Astronomen zum jetzigen Zeitpunkt allerdings noch nicht mit Sicherheit sagen. Eine Publikation über das System Kepler-69 wird demnächst in der Fachzeitschrift "Astrophysical Journal" veröffentlicht.

Durch die Verwendung der Transit-Methode konnte das Weltraumteleskop Kepler bisher 2.740 Exoplaneten-Kandidaten ausmachen. Im Rahmen weiterführender Beobachtungen konnten 122 dieser Objekte als tatsächlich vorhandene Planeten bestätigt werden.

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