Quelle: Universität Göttingen 22. Februar 2023.

22. Februar 2023 – Die Beobachtungen des internationalen Carmenes-Projekts haben in vier Jahren zur Entdeckung von 59 Exoplaneten geführt, von denen ein Dutzend potenziell lebensfreundlich ist. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben die Daten von rund 20.000 Beobachtungen veröffentlicht, die sie zwischen 2016 und 2020 für eine Stichprobe von 362 nahen kühlen Sternen gemacht hatten. Das Projekt mit Beteiligung der Universität Göttingen nutzt ein Instrument des Calar-Alto-Observatoriums mit dem Ziel, erdähnliche Exoplaneten (mit fester Oberfläche und gemäßigten Temperaturen) zu finden, die möglicherweise flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche beherbergen. Die Studie ist in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen.

Das Carmenes-Instrument ist ein optischer und Nahinfrarot-Spektrograf – ein Gerät, das sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht von den Objekten misst. Es wurde 2015 am Calar-Alto-Observatorium in Südspanien installiert, um in der Nähe von roten Zwergsternen erdähnliche Exoplaneten zu finden.

„Mit dieser neuen Methode hat Carmenes seit seiner Inbetriebnahme 17 bekannte Planeten neu analysiert und 59 neue Planeten in der Nähe unseres Sonnensystems entdeckt und bestätigt“, erklärt Erstautor Prof. Dr. Ignasi Ribas vom Institut d‘Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). In der Tat hat das Projekt die Zahl der uns bekannten Exoplaneten um nahe gelegene kühle Sterne verdoppelt. Dabei wurde fast die Hälfte aller Sterne in der Sonnenumgebung beobachtet, und ein anderer Teil kann nur von der südlichen Hemisphäre aus beobachtet werden. Darüber hinaus liefern die gewonnenen Spektren auch äußerst wertvolle Informationen über die Atmosphären der Sterne und ihrer Planeten.

Das Institut für Astrophysik und Geophysik der Universität Göttingen ist für die Verarbeitung der Daten und die Kalibrierung des Instruments verantwortlich. Zur Auswertung der wissenschaftlichen Daten finanziert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Forschungsgruppe „Blue Planets around Red Stars“, die in Göttingen koordiniert wird. „Die wissenschaftlichen Daten des Carmenes-Projekts liefern Einblick in eine Welt von Planeten, die uns bisher verborgen geblieben ist“, sagt Prof. Dr. Ansgar Reiners, Zweitautor der Studie und Sprecher der DFG-Forschungsgruppe. „Besonders interessieren uns aber auch die Sterne, bei denen sich die Planeten befinden. Neben den Planetenentdeckungen haben wir sehr viel über die Physik der Sterne gelernt, wobei insbesondere die magnetischen Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf die mögliche Bewohnbarkeit von Planeten interessant sind.“

Bei der aktuellen Veröffentlichung, an der rund 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von mehr als 30 Forschungszentren beteiligt waren, handelt es sich um den 100. Artikel des Projekts. Das Carmenes-Projekt wird seit 2021 als „Carmenes Legacy-Plus“ fortgesetzt. Die Beobachtungen der Projektverlängerung dauern mindestens bis Ende 2023 an. Weitere Informationen sind unter https://carmenes.caha.es/ zu finden.

Originalveröffentlichung:
Ignasi Ribas et al. The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. Guaranteed time observations data release 1 (2016-2020). Astronomy & Astrophysics 2023.

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• Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Gesellschaft 3. Februar 2023.

3. Februar 2023 – Auf einem neu entdeckten Exoplaneten könnte sich die Suche nach Leben lohnen. Analysen eines Teams um die Astronomin Diana Kossakowski des Max-Planck-Instituts für Astronomie beschreiben einen Planeten, der seinen Heimatstern, den roten Zwergstern Wolf 1069, in der habitablen Zone umkreist. Das heißt, auf ihm könnten Temperaturen herrschen, bei denen es flüssiges Wasser geben kann. Außerdem hat der Planet namens Wolf 1069 b eine erdähnliche Masse. Es dürfte sich um einen Gesteinsplaneten handeln, der möglicherweise auch eine Atmosphäre besitzt. Das macht den Planeten zu einem der wenigen viel­versprechenden Ziele für die Suche nach Anzeichen für lebensfreundlich Bedingungen und Biosignaturen.

Wenn Astronominnen und Astronomen nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems suchen, haben sie es ganz besonders auf erdähnliche Himmelskörper abgesehen. Von den mehr als 5000 Exoplaneten, die sie bisher entdeckt haben, besitzen nur etwa ein Dutzend eine erdähnliche Masse und befinden sich in der habitablen Zone eines Sterns, also dem Bereich in einem Planetensystem, in dem flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche vorhanden sein kann. Mit Wolf 1069 b ist die Zahl solcher Exoplaneten, auf denen sich Leben entwickelt haben könnte, um einen Kandidaten gewachsen.

Ein Planet mit ewigem Tag und ewiger Nacht
Solche massearmen Planeten aufzuspüren, ist immer noch eine große Herausforderung. Diana Kossakowski und ihr Team vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg haben sich dieser Aufgabe im Rahmen des Carmenes-Projekts angenommen, in dem für die Suche nach potenziell lebensfreundlichen Welten eigens ein Instrument entwickelt wurde. Diese Apparatur setzt das Carmenes-Team am Calar-Alto-Observatorium in Spanien ein. „Als wir die Daten des Sterns Wolf 1069 auswerteten, entdeckten wir ein deutliches Signal mit geringer Amplitude, das auf einen Planeten von etwa Erdmasse hindeutet“, sagt Diana Kossakowski. „Er umkreist den Stern innerhalb von 15,6 Tagen in einer Entfernung, die einem Fünfzehntel des Abstands zwischen Erde und Sonne entspricht.“ Die Ergebnisse der Studie wurden nun in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Demnach ist die Oberfläche des Zwergsterns relativ kühl und erscheint dadurch orange-rötlich. „Dadurch verschiebt sich die sogenannte habitable Zone nach innen“, erläutert Kossakowski. Trotz der geringen Entfernung zum Zentralstern empfängt der Planet Wolf 1069 b daher nur etwa 65 Prozent der Strahlungsleistung, die die Erde von der Sonne erhält. Diese besonderen Bedingungen machen Planeten um rote Zwergsterne wie Wolf 1069 potenziell lebensfreundlich. Zudem teilen sie wahrscheinlich eine besondere Eigenschaft. Ihre Rotation ist nämlich vermutlich an ihre Umlaufbahn um den Zentralstern gebunden. Mit anderen Worten, der Planet wendet seinem Zentralstern immer dieselbe Seite zu. Dort herrscht also ewiger Tag, während auf der anderen Seite immer Nacht ist. Das ist auch der Grund, warum wir immer die gleiche Seite des Mondes sehen.

Klimasimulationen für Exoplaneten
Nimmt man Wolf 1069 b als einen kahlen und felsigen Planeten an, so läge die Durchschnittstemperatur selbst auf der sternzugewandten Seite gerade mal bei minus 23 Grad Celsius. Nach allem was die Astronomie über Planeten weiß, ist es aber gut möglich, dass Wolf 1069 b eine Atmosphäre besitzt. Unter dieser Annahme könnte seine Temperatur auf plus 13 Grad gestiegen sein, wie Computersimulationen mit Klimamodellen zeigen. Dann bliebe Wasser flüssig und es könnten dort lebensfreundliche Bedingungen herrschen, weil Leben so, wie wir es kennen, auf Wasser angewiesen ist.

Eine Atmosphäre ist nicht nur aus klimatischer Sicht Voraussetzung für die Entstehung von Leben. Sie würde Wolf 1069 b auch vor hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung und Teilchen schützen, die denkbare Biomoleküle zerstören würde. Die Strahlung und Teilchen können entweder aus dem interstellaren Raum oder vom Zentralstern herrühren. Ist die Strahlung des Sterns zu stark, kann sie wie beim Mars auch die Atmosphäre eines Planeten abtragen. Doch als roter Zwerg sendet Wolf 1069 nur relativ schwache Strahlung aus. Somit könnte sich auf dem neu entdeckten Planeten eine Atmosphäre erhalten haben. Es ist sogar möglich, dass der Planet ein Magnetfeld hat, das ihn vor geladenen Sternwindteilchen schützt. Viele Gesteinsplaneten haben einen flüssigen Kern, der ähnlich wie auf der Erde über den Dynamoeffekt ein Magnetfeld erzeugt.

Die schwierige Suche nach Planeten mit Erdmasse
Bei der Suche nach Exoplaneten hat es immense Fortschritte gegeben, seit vor 30 Jahren der erste solche Himmelkörper entdeckt wurde. Dennoch sind die Signaturen, nach denen Astronomen suchen, um Planeten mit erdähnlichen Massen und Durchmessern aufzuspüren, relativ schwach und schwer aus den Messdaten herauszudestillieren. Das Carmenes-­Team sucht nach kleinen periodischen Frequenzverschiebungen in den Spektren von Sternen. Diese Verschiebungen deuten auf einen Begleiter hin, der durch seine Schwerkraft an dem Wirtsstern zieht und diesen zum Taumeln bringt, sodass sich die Frequenz des auf der Erde gemessenen Lichts aufgrund des Dopplereffekts minimal verändert. Diese Schwankungen sind im Fall von Wolf 1069 und seinem neu entdeckten Planeten groß genug, um sie gut messen zu können, weil der Masseunterschied zwischen Stern und Planet relativ klein ist und der Stern deshalb relativ stark taumelt. Aus der Taumelbewegung lässt sich dann wiederum die Masse des Planeten abschätzen.

Nur eine Handvoll Kandidaten für die zukünftige Charakterisierung von Exoplaneten
Mit einer Entfernung von 31 Lichtjahren ist Wolf 1069 b der sechstnächste Planet zur Erde, der sich in der habitablen Zone um seinen Wirtsstern befindet. Er gehört zu einer kleinen Gruppe von Objekten wie Proxima Centauri b und Trappist-1 e, die für die Suche nach Biosignaturen in Frage kommen. Solche Beobachtungen sind der astronomischen Forschung derzeit jedoch nicht möglich. „Wir werden wahrscheinlich noch zehn Jahre darauf warten müssen“, sagt Kossakowski. Das Extremely Large Telescope (ELT), das derzeit in Chile gebaut wird, könnte in der Lage sein, die Zusammensetzung der Atmosphäre von Exoplaneten zu untersuchen und dort molekulare Hinweise auf Leben aufzuspüren.

Originalveröffentlichung
D. Kossakowski, M. Kürster, T. Trifonov, Th. Henning, et al.
The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs – Wolf 1069 b: Earth-mass planet in the habitable zone of a nearby, very low-mass star
Astronomy & Astrophysics (2023), dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202245322
https://arxiv.org/abs/2301.02477

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• Exoplaneten in habitabler Zone

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Quelle: Exzellenzcluster ORIGINS 15. Juni 2022.

15. Juni 2022 – Die Super-Erden wurden vor kurzem von einem internationalen Forschungsteam entdeckt, zu dem auch Dr. Karan Molaverdikhani aus der Arbeitsgruppe von ORIGINS PI Prof. Barbara Ercolano zählt. Leben ist zwar auf diesen beiden Exoplaneten eher unwahrscheinlich, sie gehören allerdings zu aussichtsreichen Kandidaten für die Beobachtungsliste des James-Webb-Weltraumteleskops – dieses soll die Atmosphären der beiden Super-Erden spektroskopisch untersuchen.

Mit Hilfe des Planetenjägers der NASA, dem „Transiting Exoplanet Survey Satellite“ (TESS), entdeckten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die zwei Geschwisterplaneten HD 260655 b und HD 260655 c, die einen nur 33 Lichtjahre entfernten, hellen, roten Zwergstern umkreisen. TESS findet Exoplaneten, indem es nach „Transits“ Ausschau hält. Dieser winzige Abfall des Sternenlichts, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht, gibt Aufschluss über den Durchmesser des Planeten. Die Forscher nutzten auch Daten von bodengestützten Spektrographen, wie CARMENES am 3,5-Meter-Teleskop auf dem Calar Alto in Spanien, um die Existenz der beiden neuen Planeten zu bestätigen. Die Teleskope messen das „Taumeln“ eines Sterns, welches durch die Gravitationskräfte der ihn umkreisenden Planeten verursacht wird, und aus dem sich die Masse der Planeten errechnen lässt.

Heiße Welten
Aus der Kombination der Messungen konnten die Forschenden die Dichte der beiden Planeten bestimmen und bestätigten somit, dass es sich um felsige Welten handelt, die nicht nur geringfügig größer massereicher als die Erde sind. Planet b ist etwa 1,2-mal und Planet c 1,5-mal so groß wie die Erde. Allerdings ist es eher unwahrscheinlich, dass die beiden Welten Leben beherbergen, da sie beide viel zu heiß sind. Die Temperatur auf Planet b, der dem Wirtsstern am nächsten ist, wird auf 435° C geschätzt. Und selbst auf Planet c, erreicht die Temperaturskala etwa 284° C. Die Messungen deuten dabei darauf hin, dass die Planeten keine ausgedehnten Wasserstoffatmosphären besitzen.

„Die von uns neu entdeckten Planeten sind aufgrund der relativ hohen scheinbaren Helligkeit des Wirtssterns hervorragende Ziele für weitere atmosphärische Studien“, erläutert Karan Molaverdikhani von der Universitätssternwarte der Ludwig-Maximilians-Universität München. „Mit 33 Lichtjahren sind die Planeten uns relativ nah. Ihr Stern ist zwar kleiner als unsere Sonne, aber einer der hellsten seiner Klasse“, führt Molaverdikhani weiter aus. Diese und andere Faktoren erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das James-Webb-Weltraumteleskop und vielleicht sogar das Hubble-Weltraumteleskop Licht des Sterns einfangen können, welches durch die Atmosphären dieser Planeten scheint. Spektroskopische Untersuchungen werden es dem Wissenschaftsteam ermöglichen, Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Struktur ihrer Atmosphären zu ziehen und Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie das Klima auf terrestrischen Planeten im Allgemeinen funktioniert, einschließlich unseres eigenen.

Publikation
Luque et al “The HD 260655 system: Two rocky worlds transiting a bright M dwarf at 10 pc”, A&A
https://arxiv.org/abs/2204.10261
pdf: https://arxiv.org/pdf/2204.10261

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Bern.

Der rote Zwergstern GJ 3512 befindet sich rund 30 Lichtjahre von uns entfernt. Obwohl er nur ein Zehntel so viel Masse wie die Sonne hat, besitzt er einen Riesenplaneten – eine unerwartete Beobachtung.

«Es sollte um solche Sterne eigentlich nur erdgrosse Planeten oder höchstens etwas massereichere Super-Erden geben», sagt Professor Christoph Mordasini vom Physikalischen Insitut der Universität Bern und Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS: «GJ 3512b ist hingegen ein Riesenplanet mit einer Masse ungefähr halb so gross wie diejenige von Jupiter, und somit mindestens eine Grössenordnung massereicher als die Planeten, die von theoretischen Modellen für so kleine Sterne vorausgesagt werden.»

Schrittweiser Aufbau oder Kollaps?
«Unser Modell zur Entstehung und Entwicklung von Planeten sagt voraus, dass bei kleinen Sternen eine grosse Zahl von kleinen Planeten gebildet werden», fasst Mordasini zusammen und führt als Beispiel ein anderes, bekanntes Planetensystem an: Trappist-1. Bei diesem Stern, der mit GJ 3512 vergleichbar ist, existieren sieben Planeten mit Massen, die ungefähr einer Erdmasse oder sogar weniger entsprechen. In diesem Fall stimmen die Berechnungen des Modells gut mit der Beobachtung überein. Nicht so bei GJ 3512. «Unser Modell sagt voraus, dass es um solche Sterne gar keine Riesenplaneten geben sollte», sagt Mordasini. Eine mögliche Erklärung für das Versagen der gängigen Theorie könnte der Mechanismus sein, der dem Modell zugrunde liegt, die sogenannte Kernakkretion. Dabei entstehen Planeten, indem sie schrittweise durch Ansammlung von kleinen Körpern zu immer grösseren Massen wachsen. Die Fachleute nennen dies einen «bottom-up-Prozess».

Vielleicht ist der Riesenplanet GJ 3512b aber durch einen fundamental anderen Mechanismus gebildet worden, durch einen sogenannten gravitationellen Kollaps. «Dabei kollabiert ein Teil der Gasscheibe, in der die Planeten entstehen, direkt unter seiner eigenen Schwerkraft», erklärt Mordasini: «Ein top-down-Prozess.» Doch auch dieser Erklärungsansatz hat Probleme. «Wieso ist in diesem Fall der Planet nicht noch weiter angewachsen und noch näher zum Ster gewandert? Beides würde man erwarten, wenn die Gasscheibe genug Masse hat, damit sie unter ihrer Gravitation instabil werden kann», sagt der Experte und meint: «Der Planet GJ 3512b stellt also eine wichtige Entdeckung dar, die unser Verständnis, wie Planeten um solche Sterne entstehen, verbessern sollte.»

Berner Weltraumforschung: Seit der ersten Mondlandung an der Weltspitze
Als am 21. Juli 1969 Buzz Aldrin als zweiter Mann auf dem Mond aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es noch vor der amerikanischen Flagge in den Boden des Mondes. Dieses Solarwind Composition Experiment (SWC), welches von Prof. Dr. Johannes Geiss und seinem Team am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant und ausgewertet wurde, war ein erster grosser Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung.

Die Berner Weltraumforschung ist seit damals an der Weltspitze mit dabei. In Zahlen ergibt dies eine stattliche Bilanz: 25mal flogen Instrumente mit Raketen in die obere Atmosphäre und Ionosphäre (1967-1993), 9mal auf Ballonflügen in die Stratosphäre (1991-2008), über 30 Instrumente flogen auf Raumsonden mit, und mit CHEOPS teilt die Universität Bern die Verantwortung mit der ESA für eine ganze Mission (Start letztes Quartal 2019).

Die erfolgreiche Arbeit der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie (WP) des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde durch die Gründung eines universitären Kompetenzzentrums, dem Center for Space and Habitability (CSH), gestärkt. Der Schweizer Nationalsfonds sprach der Universität Bern zudem den Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS zu, den sie gemeinsam mit der Universität Genf leitet.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

Astronom*innen des CARMENES-Konsortiums haben einen neuen Exoplaneten entdeckt, der nach derzeitigem Wissensstand nicht existieren dürfte. Die Forschungsgruppe unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA, Heidelberg) fand einen Gasplaneten, dessen Masse im Vergleich zu seinem Mutterstern GJ 3512 ungewöhnlich groß ist. Die Wissenschaftler*innen folgern, dass der Planet wahrscheinlich durch einen gravitativen Kollaps in einer Scheibe aus Gas und Staub entstand, die sich um den damals noch jungen Zwergstern befand. Dies widerspricht dem aktuell weithin akzeptierten Modell der Planetenentstehung, das für das Aufsammeln des umgebenden Gases einen festen Kern benötigt.

Planeten, so sind sich Astronom*innen sicher, sind ein Nebenprodukt der Entstehung von Sternen. Sie bilden sich in der Scheibe, aus der ihr Mutterstern ebenfalls hervorging. Das vorherrschende Modell für die Entstehung von Planeten basiert auf der Vorstellung, dass sich zunächst ein Objekt aus festen Teilchen in der Scheibe aufbaut. Die Schwerkraft dieses Planetenembryos sorgt dafür, dass sich eine Atmosphäre aus dem umgebenden Gas formiert. Nun haben Wissenschaftler*innen des CARMENES-Konsortiums unter der Leitung von Juan Carlos Morales, einem Forscher des Institute of Space Studies of Catalonia (IEEC) am Institute of Space Sciences (ICE, CSIC), mit Beiträgen von Diana Kossakowski und Hubert Klahr (MPIA) einen Gasplaneten ähnlich dem Jupiter entdeckt, der diesem Modell widerspricht. Vielmehr scheint es, dass er sich ohne einen festen Kondensationskeim direkt aus der Scheibe entwickelt hat.

Ein Gasplanet in der Nachbarschaft des Sonnensystems
Dieser Gasriese, genannt GJ 3512 b, ist zusammen mit seinem Mutterstern GJ 3512 nur 9,5 Parsec (30 Lichtjahre) von der Sonne entfernt und hat eine Masse von mindestens der Hälfte des Jupiters. Für einen Umlauf benötigt er 204 Tage.

Für sich genommen ist GJ 3512 b nicht außergewöhnlich – wohl aber, dass er sich in einem Orbit um einen roten Zwergstern befindet. GJ 3512 besitzt nur 12% der Masse der Sonne, so dass das Massenverhältnis zwischen dem Stern und dem Planeten höchstens 270 beträgt. Im Vergleich dazu ist die Sonne etwa 1.050 mal schwerer als Jupiter. Dieses Detail bereitet den theoretischen Physiker*innen Kopfzerbrechen. Die Gas- und Staubscheiben, aus denen sich massearme Sterne wie GJ 3512 bilden, sollten ebenfalls eher wenig Material beinhalten. Zu wenig, wie die Modelle ergeben, um Planetenembryos entstehen zu lassen, aus denen sich Gasriesen wie GJ 3512 b entwickeln.

„Ein Ausweg bestünde in einer sehr massereichen Scheibe, die die benötigten Bausteine in ausreichender Menge besitzt“, erklärt Hubert Klahr, der am MPIA eine Arbeitsgruppe zur Theorie der Planetenentstehung leitet. Wenn jedoch eine Scheibe aus Gas und Staub, die sich um einen Stern befindet, mehr als ungefähr 1/10 der Sternmasse besitzt, reicht die Gravitationswirkung des Sterns nicht mehr aus, um die Scheibe stabil zu halten. Die Schwerkraft des Scheibenmaterials selbst macht sich bemerkbar und beeinflusst ihre Struktur. Ein gravitativer Kollaps des Gases wie bei der Entstehung von Sternen ist die Folge. Solch massereiche Scheiben sind bei jungen Zwergsternen allerdings bislang nicht beobachtet worden.

Die Masse von GJ 3512 b ist mit den Standardmodell nicht erklärbar
Noch schwieriger wird die Situation dadurch, dass es anscheinend Hinweise für einen zweiten Planeten gibt, der sich in einem weiten Orbit um GJ 3512 befindet. Zusätzlich zu diesen beiden Planeten spricht die stark elliptische Bahn von GJ 3512 b [1] dafür, dass er einst von einem dritten Planeten ähnlicher Masse gravitativ beeinflusst wurde. Dieser mutmaßliche dritte Planet muss dabei jedoch offensichtlich aus dem Planetensystem geschleudert worden sein. Neben GJ 3512 b musste die ursprüngliche Scheibe also Material für mindestens einen weiteren Planeten bereitstellen. Die dafür erforderliche Scheibenmasse liegt damit klar außerhalb der Grenzen der aktuellen Stern- und Planetenbildungsmodelle.

Somit folgerten die Forscher*innen des MPIA, der Universität Lund in Schweden sowie der Universität Bern, die sich mit der Simulation der Entstehung von Planeten befassen, dass das „core accretion“-Modell nicht in der Lage ist, die Existenz von GJ 3512 b zu erklären. Deswegen haben sie untersucht, unter welchen Bedingungen das bislang eher vernachlässigte Szenario des gravitativen Kollapses innerhalb einer Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern zur Bildung eines Planeten wie GJ 3512 b führen könnte.

Entstehung durch Verdichtung der Scheibenmaterie
Mit unterschiedlichen Ansätzen kamen sie zu dem gleichen Ergebnis, dass GJ 3512 b über diesen Prozess hätte entstehen können. Die Bereiche in der Scheibe jenseits von 10 AE (1 AE = 1 Astronomische Einheit: die Entfernung zwischen Erde und Sonne) vom Zentralstern sind mit Temperaturen von etwa 10 K (-263 °C) sehr kalt. Dort vermag der thermische Druck die Gravitationswirkung des Materials nicht auszugleichen, so dass sie unter ihrem Eigengewicht kollabiert. Im Anschluss muss der noch junge Planet über große Distanzen auf seine derzeitige Position gewandert sein, die sich in einer Entfernung von deutlich unter 1 AE vom Zentralstern befindet. Das ist wiederum mit den aktuellen Modellen der Entwicklung von Planetensystemen verträglich.

GJ 3512 b wurde mit dem Spektrografen CARMENES über die Methode der Radialgeschwindigkeiten [2] entdeckt (Abb. 2). CARMENES nimmt Spektren im sichtbaren sowie im infraroten Licht auf. „Rote Zwergsterne wie GJ 3512 können sehr aktiv sein und Signale erzeugen, die denen von Planeten ähneln“, erklärt Diana Kossakowski (MPIA), die maßgeblich an der Auswertung der Daten mitwirkte. „Die Infrarot-Spektren waren wichtig, um zu bestätigen, dass wir tatsächlich einen Planeten gefunden haben.“

„Bisher waren die einzigen Planeten, deren Bildung mit Scheibeninstabilitäten kompatibel waren, eine Handvoll junger, heißer und sehr massereicher Planeten in großer Entfernung von ihren Wirtssternen“, gibt Hubert Klahr zu bedenken. „Mit GJ 3512 b haben wir nun einen außergewöhnlichen Kandidaten für einen Planeten, der über die Instabilität einer Scheibe um einen recht massearmen Stern entstanden sein könnte. Dieser Fund veranlasst uns zur Überprüfung unserer Modelle.“

Endnoten
[1] GJ 3512 b befindet sich auf einer Bahn, die ihn in Abständen zwischen 0,2 und 0,5 AE um GJ 3512 herum führt.

[2] Die Gravitationswirkungen zwischen dem Planeten und dem Stern zwingen sie auf Bahnen um den gemeinsamen Schwerpunkt. Dadurch läuft GJ 3512 periodisch mal auf uns zu und wieder von uns weg, wobei sich auch die Geschwindigkeit des Sterns entlang der Sichtlinie ändert. Das führt zu einer Verschiebung der vom Stern erzeugten Spektrallinien – abwechselnd zu blauen und zu roten Bereichen seines Spektrums. Daraus lassen sich die Umlaufperiode und die Mindestmasse des Planeten GJ 3512 b bestimmen.

Hintergrundinformationen
Diese Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von vielen internationalen Instituten aus Spanien, Deutschland und anderen Ländern. Für das MPIA haben Diana Kossakowski, Hubert Klahr, Trifon Trifonov, Martin Kürster und Thomas Henning wichtige Beiträge geleistet.

Das Instrument CARMENES (Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs, zu Deutsch etwa „Die hochaufgelöste Suche am Calar Alto nach M-Zwergen mit Exo-Erden mithilfe von Spektrografen im Nahinfraroten und im sichtbaren Licht“) ist ein hochauflösender Spektrograph für sichtbares und nahinfrarotes Licht. Das Projekt wird von den Universitäten Göttingen, Hamburg, Heidelberg und Madrid, dem Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), Heidelberg, den Instituten des Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) in Barcelona, Granada und Madrid, der Thüringer Landessternwarte, dem Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) und der Calar-Alto Sternwarte (CAHA) durchgeführt. Seit 2016 suchen deutsche und spanische Wissenschaftler*innen nach Planeten um Sterne in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Originalpublikation:

• J. C. Morales et al. A giant exoplanet orbiting a very-low-mass star challenges planet formation models

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

18. Juni 2019 – Ein internationales Team von Astronomen hat zwei erdähnliche Planeten um einen der kleinsten bekannten Sterne, „Teegardens Stern“, gefunden. Die Planeten liegen in der habitablen Zone des Sterns, in der flüssiges Wasser existieren kann. Sie haben ein Viertel bzw. ein Drittel mehr Masse als die Erde. Die Entdeckung hilft, unsere Statistik der Eigenschaften von Exoplaneten zu vervollständigen, indem sie Auswahleffekte früherer Beobachtungen korrigiert. Hypothetische Beobachter auf diesen Planeten wären übrigens bald in einer einzigartig günstigen Position, um unsere Erde mit Hilfe der sogenannten Transitmethode nachzuweisen! Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Bis heute haben Astronomen mehr als 4000 Exoplaneten entdeckt, also Planeten, die andere Sterne umkreisen als die Sonne. Aber unser Blick auf die fremden Welten da draußen zeigt uns nur einen Teil des Ganzen. Die Standardmethoden zum (indirekten) Nachweis von Exoplaneten erfordern jeweils genaue Messungen des Lichts des betreffenden Sterns, und solche Messungen sind für Sterne, die etwa so hell sind wie unsere Sonne, viel einfacher als für leuchtschwächere Exemplare. Allerdings sind die allermeisten Sterne in unserer Milchstraße leuchtschwächer und rötlicher als die Sonne, und für diese Sterne war der Nachweis von Exoplaneten bislang schwierig. Das verzerrt unsere Statistik dazu, wie häufig Exoplaneten mit welchen Eigenschaften in unserer Milchstraße vorkommen, unter Umständen ganz beträchtlich!

Genau an dieser Stelle soll das CARMENES-Instrument am Calar Alto Observatorium Abhilfe schaffen, das Anfang 2016 in Betrieb genommen wurde. CARMENES ist ein Doppelspektrograph, der für die Beobachtung genau solcher leuchtschwachen, rötlichen Sterne optimiert wurde. Martin Kürster, leitender Wissenschaftler für CARMENES am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), der an der neuen Studie beteiligt war, sagt: „CARMENES kann uns helfen, unsere Vorurteile zu korrigieren, indem wir die mit Abstand häufigsten Sterne in unserer Galaxie untersuchen. Das Instrument ist empfindlich genug, um erdähnliche, potentiell bewohnbare Planeten um solche Sterne herum zu erkennen.“

Einer der mehr als 300 von CARMENES beobachteten roten Zwergsterne war „Teegardens Stern“ im Sternbild Widder. Benannt ist er nach dem NASA-Wissenschaftler Bonnard J. Teegarden, der den Stern in Daten fand, die eigentlich zur Nachverfolgung von Asteroiden gesammelt worden waren. Mit nur 8% der Sonnenmasse, nur rund 10% des Sonnenradius ist Teegardens Stern einer der kleinsten Sterne in unserer Nachbarschaft. Bei einer Temperatur von 2900 K ist er rötlich und deutlich leuchtschwächer als die Sonne. Mit einer Entfernung von nur 12,5 Lichtjahren ist er einer der uns nächsten Sterne.

Mathias Zechmeister von der Universität Göttingen (ehemals am MPIA), Hauptautor der Studie, sagt: „Wir haben diesen Stern drei Jahre lang beobachtet und nach periodischen Schwankungen seiner Geschwindigkeit gesucht. Die Daten zeigen deutlich die Existenz von zwei Planeten an.“ Die für den Nachweis verwendete so genannte Radialgeschwindigkeitsmethode ermöglicht die Messung der Mindestmasse eines Planeten und Schätzungen seiner wahrscheinlichen Masse. Die Planeten um den Stern von Teegarden haben eine Mindestmasse von 1,05 bzw. 1,1 Erdmassen, wobei die besten Massenschätzungen bei 1,25 bzw. 1,33 Erdmassen liegen. Damit dürfte es sich bei beiden um erdähnliche Planeten handeln. Den üblichen Konventionen folgend erhielten die Planeten die Bezeichnungen Teegarden b und Teegarden c.

Beide Planeten laufen in der habitablen Zone des Sterns um, in der im Prinzip flüssiges Wasser auf ihren Oberflächen existieren könnte. Einer der Planeten müsste allerdings eine recht spezielle Atmosphäre aufweisen, um Wasser auf seiner Oberfläche halten zu können. Schätzungen gehen davon aus, dass das Alter des Systems rund 8 Milliarden Jahre beträgt, fast doppelt so alt wie die Erde. Das ließe viel Zeit für die Entwicklung von Leben.

Übrigens wäre es für hypothetische intelligente Wesen auf einem dieser Planeten innerhalb weniger Jahrzehnte einfacher, den Planeten Erde nachzuweisen, als umgekehrt: Zwischen den Jahren 2044 und 2496 wird Teegardens Stern genau in der richtigen Richtung relativ zu uns stehen, dass unser Sonnensystem aus Sicht etwaiger Planetenbewohner direkt von der Seite zu sehen ist. Solche Bewohner sollten dann in der Lage sein, die Erde mit Hilfe der sogenannten Transitmethode nachzuweisen, wenn sie die Erde direkt vor der Sonnenscheibe vorbeiziehen sehen.

Zu diesem Zeitpunkt ist davon auszugehen, dass die Astronomen auf der Erde bereits einen Schritt weiter sind: Die Ähnlichkeiten mit der Erde und die potenzielle Bewohnbarkeit machen die beiden neu entdeckten Planeten zu wichtigen Kandidaten für vertiefte Studien mit der nächsten Generation von erdgebundenen Teleskopen – in der Hoffnung, dort eventuell sogar Spuren von Leben zu entdecken.

Hintergrundinformationen
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht als M. Zechmeister et al. 2019, „The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs: Two temperate Earth-mass planet candidates around Teegarden’s Star“ in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.

• Weitere Informationen, Bilder und Filme (M. Zechmeister)
• Fachartikel (Englisch)

Das Instrument CARMENES (Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs, zu deutsch etwa „Die hochaufgelöste Suche am Calar Alto nach M-Zwergen mit Exo-Erden mithilfe von Spektrografen im Nahinfraroten und im sichtbaren Licht“) ist ein hochauflösender Spektrograph für sichtbares und nahinfrarotes Licht. Das Projekt wird von den Universitäten Göttingen, Hamburg, Heidelberg und Madrid, dem Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, den Instituten des Consejo Superior de Investigaciones Científicas in Barcelona, Granada und Madrid, der Thüringer Landessternwarte, dem Instituto de Astrofísica de Canarias und der Calar-Alto Sternwarte durchgeführt. Seit 2016 suchen deutsche und spanische Wissenschaftler im Rahmen von CARMENES nach Planeten um Sterne in unserer kosmischen Nachbarschaft. Die neuen Planeten sind der zehnte bzw. elfte, den das Projekt bislang entdeckt hat.

Der Beitrag Zwei erdähnliche Planeten bei Teegardens Stern erschien zuerst auf Raumfahrer.net.