Quelle: NASA, 10. Oktober 2024.

Pasadena, 10. Oktober 2024 – Neue Forschungsergebnisse des Jet Propulsion Laboratory der NASA zeigen mögliche Anzeichen für einen felsigen, vulkanischen Mond, der einen 635 Lichtjahre von der Erde entfernten Exoplaneten umkreist. Der wichtigste Hinweis ist eine Natriumwolke, die sich den Ergebnissen zufolge in der Nähe des Exoplaneten befindet, aber nicht synchron mit dem Gasriesen von der Größe eines Saturns namens WASP-49 b. Allerdings sind weitere Untersuchungen erforderlich, um das Verhalten der Wolke zu bestätigen. In unserem Sonnensystem verursachen die Gasemissionen von Jupiters vulkanischem Mond Io ein ähnliches Phänomen.

Obwohl noch keine Exomonde (Monde von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) bestätigt wurden, gibt es mehrere Kandidaten. Es ist wahrscheinlich, dass diese planetarischen Begleiter bisher unentdeckt geblieben sind, weil sie zu klein und zu schwach sind, um von aktuellen Teleskopen entdeckt zu werden.

Die Natriumwolke um WASP-49 b wurde erstmals 2017 entdeckt und erregte die Aufmerksamkeit von Apurva Oza, der früher als Postdoktorand am Jet Propulsion Laboratory der NASA tätig war und jetzt als Wissenschaftler am Caltech arbeitet, das das JPL leitet. Oza hat jahrelang untersucht, wie Exomonde anhand ihrer vulkanischen Aktivität entdeckt werden könnten. Io zum Beispiel, der vulkanischste Körper in unserem Sonnensystem, spuckt ständig Schwefeldioxid, Natrium, Kalium und andere Gase aus, die riesige Wolken um Jupiter bilden können, die bis zum 1.000-fachen des Radius des Riesenplaneten reichen. Es ist möglich, dass Astronomen, die ein anderes Sternensystem beobachten, eine Gaswolke wie die von Io entdecken könnten, selbst wenn der Mond selbst zu klein wäre, um ihn zu sehen.

Sowohl WASP-49 b als auch sein Stern bestehen größtenteils aus Wasserstoff und Helium, mit Spuren von Natrium. Keiner von beiden enthält genug Natrium, um die Wolke zu erklären, die von einer Quelle zu stammen scheint, die etwa 100.000 Kilogramm Natrium pro Sekunde produziert. Selbst wenn der Stern oder der Planet so viel Natrium produzieren könnte, ist unklar, durch welchen Mechanismus es ins All geschleudert werden könnte.

Könnte die Quelle ein vulkanischer Exomond sein? Oza und seine Kollegen machten sich daran, diese Frage zu beantworten. Die Arbeit erwies sich sofort als schwierig, denn aus so großer Entfernung überschneiden sich Stern, Planet und Wolke oft und nehmen denselben winzigen, weit entfernten Punkt im Raum ein. Daher musste das Team das System über einen längeren Zeitraum beobachten.

Eine Wolke, die sich bewegt

In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, fand das Team mehrere Hinweise, die darauf hindeuten, dass die Wolke von einem separaten Körper erzeugt wird, der den Planeten umkreist, obwohl weitere Untersuchungen erforderlich sind, um das Verhalten der Wolke zu bestätigen. Zweimal zeigten ihre Beobachtungen beispielsweise, dass sich die Wolke plötzlich vergrößerte, als würde sie aufgetankt, wenn sie nicht in der Nähe des Planeten war.

Sie beobachteten auch, dass sich die Wolke schneller als der Planet bewegte, was unmöglich erscheint, wenn sie nicht von einem anderen Körper erzeugt wird, der sich unabhängig vom Planeten und schneller als dieser bewegt.

„Wir denken, dass dies ein wirklich entscheidender Beweis ist“, sagte Oza. „Die Wolke bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung, die sie laut Physik einschlagen müsste, wenn sie Teil der Planetenatmosphäre wäre.“

Obwohl diese Beobachtungen das Forschungsteam fasziniert haben, sagen sie, dass sie das System länger beobachten müssten, um sich über die Umlaufbahn und die Struktur der Wolke sicher zu sein.

Eine Chance für vulkanische Wolken

Für einen Teil ihrer Nachforschungen nutzten die Forscher das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Ozas Mitautorin Julia Seidel, Forschungsstipendiatin am Observatorium, stellte fest, dass sich die Wolke hoch über der Atmosphäre des Planeten befindet, ähnlich wie die Gaswolke, die Io um Jupiter erzeugt.

Sie verwendeten auch ein Computermodell, um das Szenario des Exomonds zu veranschaulichen und es mit den Daten zu vergleichen. Der Exoplanet WASP-49 b umkreist den Stern alle 2,8 Tage mit einer uhrmacherischen Regelmäßigkeit, aber die Wolke erschien und verschwand in scheinbar unregelmäßigen Abständen hinter dem Stern oder hinter dem Planeten. Anhand ihres Modells zeigten Oza und sein Team, dass ein Mond mit einer achtstündigen Umlaufbahn um den Planeten die Bewegung und Aktivität der Wolke erklären könnte, einschließlich der Art und Weise, wie sie sich manchmal vor dem Planeten zu bewegen schien und nicht mit einer bestimmten Region des Planeten verbunden zu sein schien.

„Die Beweise sind sehr überzeugend, dass diese Wolke von etwas anderem als dem Planeten und dem Stern erzeugt wird“, sagte Rosaly Lopes, eine Planetengeologin am JPL, die zusammen mit Oza die Studie verfasst hat. „Die Entdeckung eines Exomonds wäre etwas ganz Besonderes, und aufgrund von Io wissen wir, dass ein vulkanischer Exomond möglich ist.“

Ein gewaltsames Ende

Auf der Erde werden Vulkane durch die Hitze im Kern angetrieben, die von der Entstehung des Planeten übrig geblieben ist. Die Vulkane auf Io hingegen werden durch die Schwerkraft des Jupiters angetrieben, die den Mond zusammenpresst, wenn er sich dem Planeten nähert, und die dann nachlässt, wenn sich der Mond entfernt. Diese Biegung heizt das Innere des kleinen Mondes auf, was zu einem Prozess führt, der als Gezeitenvulkanismus bezeichnet wird.

Wenn WASP-49 b einen Mond von ähnlicher Größe wie die Erde hat, schätzen Oza und sein Team, dass der rasche Masseverlust in Verbindung mit dem Druck der Schwerkraft des Planeten schließlich zu seinem Zerfall führen wird.

„Wenn es dort wirklich einen Mond gibt, wird er ein sehr zerstörerisches Ende haben“, sagt Oza.

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Die Suche nach Exomonden

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 7. Dezember 2023.

7. Dezember 2023 – Bei nur zweien der mehr als 5300 bekannten Exoplaneten wurden bisher Hinweise auf Monde gefunden. In Messdaten der Planeten Kepler-1625b und Kepler-1708b, die mit Hilfe der Weltraumteleskope Kepler und Hubble aufgenommen wurden, hatten Forschende erstmals entsprechende Spuren entdeckt. Neue Auswertungen wecken nun Zweifel. Wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen und des Sonnenberg Observatoriums heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy berichten, sind „mondfreie“ Interpretationen der Daten naheliegender. Die Forscher nutzten für die Analyse ihren neu entwickelten Computer-Algorithmus Pandora, der die Suche nach Exomonden vereinfacht und beschleunigt. Zudem untersuchen sie, welche Art von Exomonden in typischen Messdaten überhaupt auffindbar ist. Die Antwort ist ernüchternd.

Dass ein Planet von einem oder mehreren Monden umrundet wird, ist in unserem Sonnensystem eher die Regel denn die Ausnahme: Abgesehen von Merkur und Venus schmücken sich alle anderen Planeten mit solchen Begleitern; im Fall des Gasriesen Saturn sind es sogar mehr als 140. Wissenschaftler*innen halten es deshalb für wahrscheinlich, dass auch ferne Sternsysteme Monde beherbergen. Hinweise auf solche Exomonde gab es bisher jedoch nur in zwei Fällen: bei den Exoplaneten Kepler-1625b und Kepler-1708b. Diese geringe Ausbeute verwundert nicht. Schließlich dürften ferne Trabanten naturgemäß deutlich kleiner sein als ihre Heimatwelten – und somit deutlich schwerer zu finden. Zudem ist es ausgesprochen aufwändig, die Messdaten tausender Exoplaneten auf Hinweise von Monden zu durchkämmen.

Um die Suche zu erleichtern und zu beschleunigen, setzen die beiden Autoren der aktuellen Studie auf einen selbst entwickelten, für die Suche nach Exomonden optimierten Such-Algorithmus. Im vergangenen Jahr hatten sie ihre Methode veröffentlicht; der Algorithmus steht als Open Source Code allen Forschenden zur Verfügung. Angewandt auf die Messdaten von Kepler-1625b und Kepler-1708b ergab sich nun Erstaunliches. „Gerne hätten wir die Entdeckung von Exomonden um Kepler-1625b und Kepler-1708b bestätigt“, so der Erstautor der neuen Studie, MPS-Wissenschaftler Dr. René Heller. „Doch leider zeigen unsere Auswertungen etwas anderes“, fügt er hinzu.

Kosmisches Versteckspiel
Der Jupiter-ähnliche Planet Kepler-1625b hatte vor fünf Jahren zum ersten Mal Schlagzeilen gemacht. Forscher der Columbia University in New York berichteten von statistisch deutlichen Hinweisen auf einen Riesenmond in seiner Umlaufbahn, der alle Monde des Sonnensystems in den Schatten stellen würde. Ausgewertet hatten die Wissenschaftler Messdaten des NASA-Weltraumteleskops Kepler, das in seinem ersten Missionsabschnitt von 2009 bis 2013 mehr als 100.000 Sterne beobachtete und auf diese Weise mehr als 2000 Exoplaneten entdeckte. Doch in den folgenden Jahren lieferte der Exomond seinen Entdeckern eine Art kosmisches Versteckspiel: In erneuten Auswertungen derselben Daten zeigte er sich nicht mehr; doch in weiteren Messungen des Weltraumteleskops Hubble fanden sich wieder Hinweise. Im vergangenen Jahr dann bekam der launisch anmutende Exomond Verstärkung: Auch um den Jupiter-großen Planeten Kepler-1708b kreise ein kleinerer Körper, so die New Yorker Forscher.

Der passende Match
„Exomonde sind so weit entfernt, dass man sie auch mit leistungsstarken Teleskopen leider nicht direkt sehen und nachweisen kann“, erklärt Dr. René Heller. Stattdessen zeichnen Teleskope die Helligkeitsschwankungen ferner Sterne auf. Diese Daten werden als Lichtkurve bezeichnet. Darin suchen die Forschenden dann nach Anzeichen von Monden. Zieht ein Exoplanet von der Erde aus betrachtet vor seinem Stern entlang, verdunkelt er während dieses sogenannten Transits den Stern in regelmäßigen Abständen um einen winzigen Bruchteil. Ein Exomond, der den Planeten begleitet, würde sich ähnlich auswirken. Allerdings wäre dessen Spur in der Lichtkurve nicht nur deutlich schwächer. Wegen der Bewegung, die Mond und Planet um ihren gemeinsamen Schwerpunkt vollziehen, würde diese zusätzliche Verdunklung in der Lichtkurve auch einem recht komplizierten Muster folgen. Zudem variiert die Helligkeit eines Sterns ganz ohne Planeten und Monde ständig. Und schließlich erzeugt auch das Teleskop, das die Helligkeitsschwankungen beobachtet, eine Art Rauschen in den Messdaten.

Um die Monde dennoch aufzuspüren, berechnen sowohl die New Yorker Forscher als auch ihre deutschen Kollegen zunächst abermillionen „künstliche“ Lichtkurven für alle denkbaren Größen, Abstände und Ausrichtungen möglicher Planeten und Monde. Ein Algorithmus vergleicht diese simulierten Lichtkurven dann mit der gemessenen Kurve und sucht die beste Übereinstimmung. Die Forscher aus Göttingen und Sonneberg nutzten nun dafür ihren Open-Source-Algorithmus Pandora, der auf die Suche nach Exomonden optimiert ist und diese Aufgabe um mehrere Größenordnungen schneller lösen kann als früher verwendete Algorithmen.

Keine Spur von Monden
Im Fall des Planeten Kepler-1708b können Szenarien ganz ohne Mond die Messdaten genau so treffend erklären wie solche mit Mond, so die Forscher in der aktuellen Studie. „Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Mond um Kepler-1708b kreist, ist eindeutig geringer als bisher berichtet“, so Michael Hippke vom Sonneberg Observatorium und Coautor der neuen Studie. „Die Daten legen die Existenz eines Exomonds um Kepler-1708b nicht nahe“, so Hippke weiter.

Vieles spricht dafür, dass auch Kepler-1625b ohne kleineren Begleiter seine Runden zieht. Transits dieses Planeten vor seinem Stern wurden zuvor schon mit dem Kepler-Teleskop und dem Hubble-Teleskop beobachtet. Die Forscher argumentieren, dass in der ursprünglichen Auswertung der kombinierten Daten unter anderem die Mitte-Rand-Verdunklung des Sterns nicht ausreichend berücksichtigt wurde. Als Mitte-Rand-Verdunklung bezeichnen Astronom*innen das Phänomen, dass uns vom Rand eines Sterns weniger Strahlung erreicht als von seiner Mitte. Der Rand der Sonne etwa, erscheint auf Aufnahmen deshalb dunkler. Je nachdem, ob man den Heimatstern von Kepler-1625b durch das Kepler- oder das Hubble-Teleskop betrachtet, sieht die Mitte-Rand-Verdunklung allerdings verschieden aus. Das hängt mit dem Wellenlängenbereich des Lichtes zusammen, das die Teleskope verarbeiten. Die Forscher aus Göttingen und Sonneberg argumentieren nun, dass ihre Modellierung dieses Effekts die Daten schlüssiger erklärt als ein riesiger Exomond.

Ihre neuen, umfangreichen Analysen zeigen zudem, dass Exomond-Suchalgorithmen nicht selten zu falschpositiven Ergebnissen kommen: Immer wieder „entdecken“ sie einen Mond, wo gar keiner ist. Im Fall einer Lichtkurve wie der von Kepler-1625b dürfte die Quote der „falschen Treffer“ bei etwa 11 Prozent liegen. „Die frühere Exomond-Behauptung der Kollegen aus New York war das Ergebnis einer Suche nach Monden um dutzende Exoplaneten“, so Heller. „Nach unseren Abschätzungen ist ein falschpositiver Fund gar nicht verwunderlich, sondern geradezu zu erwarten“, fügt er hinzu.

Sonderbare Satelliten
Die Forscher nutzten zudem ihren Algorithmus um zu prüfen, welche Art von Exomonden sich überhaupt durch deutlich auffindbare Spuren in Lichtkurven verraten würden. Demnach sind nur besonders große Monde, die in großem Abstand um ihren Planeten kreisen, nach heutigem Stand der Technik auffindbar. Im Vergleich zu den vertrauten Monden unseres Sonnensystems wären es allesamt Sonderlinge: mindestens doppelt so groß wie Ganymed, der größte Mond des Sonnensystems und damit fast so groß wie die Erde. „Die ersten Exomonde, die wir in zukünftigen Beobachtungen wie etwa von der PLATO-Mission entdecken werden, werden sicher sehr ungewöhnlich und somit aufregend zu erforschen sein“, so Heller.

Originalveröffentlichung
1. R. Heller, M. Hippke:
Large exomoons unlikely around Kepler-1625 b and Kepler-1708 b,
Nature Astronomy, 7. Dezember 2023
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02148-w
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-023-02148-w.pdf
2. M. Hippke, R. Heller:
Pandora: A fast open-source exomoon transit detection algorithm,
Astronomy & Astrophysics 662, 37 (2022)
doi.org/10.1051/0004-6361/202243129
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/06/aa43129-22/aa43129-22.html

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• Die Suche nach Exomonden

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Quelle: Universität Bern 9. März 2023.

Am 7. März 2023 bestätigte der Ausschuss für das Wissenschaftsprogramm der ESA die Fortsetzung des Betriebs bis 2026 und eine indikative Verlängerung bis 2029, abhängig von den laufenden Verpflichtungen der nationalen Förderer und Partner. Seit seinem Launch im Dezember 2019 haben die äußerst präzisen Messungen des Satelliten zu mehreren wichtigen Entdeckungen auf dem Gebiet der Exoplanetenforschung beigetragen. Die Verlängerung wird es ermöglichen, diese faszinierenden Welten im Orbit anderer Sterne noch genauer zu untersuchen.

Im Gegensatz zu früheren Satelliten, die neue Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen – durch die gleichzeitige Beobachtung von zehntausenden Sternen aufspüren sollten, wurde CHEOPS für die Beobachtung einzelner Sterne optimiert und zielt auf diejenigen, von denen bereits bekannt ist, dass sie Exoplaneten beherbergen. Ziel von CHEOPS ist es daher, über eine bloße Bestandsaufnahme von Exoplaneten hinauszugehen und einige ihrer Haupteigenschaften, insbesondere ihre Größe, mit äußerster Präzision zu messen. Diese Präzision ermöglicht es den Astronomen, Rückschlüsse auf die Zusammensetzung dieser Planeten zu ziehen: Die Kombination der CHEOPS-Größenmessung mit der zuvor bekannten Planetenmasse ergibt die Dichte. Dichte Planeten wie die Erde bestehen hauptsächlich aus Gestein und Metallen, während Planeten mit geringer Dichte wie der Jupiter hauptsächlich aus Gas bestehen. Da diese Zusammensetzungen das Ergebnis des Planetenentstehungsprozesses sind, öffnet deren Kenntnis ein Fenster zur Geschichte der Planetensysteme und setzt unser eigenes Sonnensystem in einen größeren Kontext.

Die Beobachtung der Eigenschaften von Exoplaneten
„In dieser Hinsicht war die Mission äußerst erfolgreich“, betont Willy Benz, emeritierter Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Leiter des CHEOPS-Konsortiums, „die Präzision von CHEOPS hat alle Erwartungen übertroffen und es uns ermöglicht, die Eigenschaften mehrerer der interessantesten Exoplaneten zu bestimmen.“

So haben die Forschenden des CHEOPS-Teams durch genaue Beobachtung der Helligkeitsveränderungen beim Vorbeiziehen des Planeten WASP-103b an seinem Stern festgestellt, dass der Planet durch die starke Schwerkraft des nahen Sterns in die Form eines Rugbyballs verformt wird. Planeten dieser Art sind so heiß, dass CHEOPS ihr Leuchten auch auf ihrer Umlaufbahn erkennen konnte. „Das mit CHEOPS bei dem Planeten WASP-189b entdeckte Leuchten beträgt nur ein paar Millionstel des vom Stern ausgesandten Lichts und hängt mit der Temperatur der Planetenatmosphäre sowie deren Wolkenbedeckung zusammen. Damit ist klar, dass CHEOPS viel mehr kann als ’nur‘ die Größe von Planeten zu messen“, erklärt Prof. David Ehrenreich von der Universität Genf, Co-Leiter des internationalen Teams von über hundert Wissenschaftlern, die an der Auswertung der Mission beteiligt sind.

Verlängerung der Mission verspricht weitere faszinierende Entdeckungen
Die Hauptmission von CHEOPS war für eine Dauer von dreieinhalb Jahren, also bis September 2023, angelegt. Die herausragende Qualität der wissenschaftlichen Ergebnisse der Mission wird durch die Veröffentlichung von mehr als fünfzig auf CHEOPS-Daten basierenden wissenschaftlichen Artikeln in internationalen Fachzeitschriften belegt. Der Satellit wurde inmitten einer weltweiten Pandemie erfolgreich betrieben, und sein Gesundheitszustand ist im Hinblick auf die rauen Bedingungen im Weltraum, wo er ständig von kosmischer und hochenergetischer Strahlung bombardiert wird, ausgezeichnet. All diese Faktoren haben das CHEOPS-Team dazu veranlasst, eine Verlängerung der Mission über das Jahr 2023 hinaus vorzuschlagen.

Die Verlängerung des CHEOPS-Betriebs wurde nun vom Ausschuss für das Wissenschaftsprogramm der ESA bis mindestens 2026 genehmigt, vorausgesetzt, die nationalen Förderer und Partner leisten weiterhin Unterstützung. Die Mitglieder des CHEOPS-Teams stammen aus 40 Institutionen in ganz Europa: Neben der ESA haben sich 11 Länder, darunter die Schweiz in einer führenden Rolle, zusammengeschlossen, um das Teleskop zwischen 2012 und 2019 zu finanzieren und zu bauen. „CHEOPS kann für die Verlängerung der Mission weiterhin auf die starke Unterstützung der beteiligten Finanzierungsagenturen zählen, darunter auch der Schweiz, deren führende Rolle bei der CHEOPS-Mission (einschließlich des verlängerten Betriebs) durch ihre Mitgliedschaft in der ESA und ihre Teilnahme am PRODEX-Programm ermöglicht wird“, sagt Oliver Botta, Vorsitzender des CHEOPS-Lenkungsausschusses.

Mit der nun genehmigten Missionsverlängerung plant das CHEOPS-Team, den Satelliten weiterhin für seine Kernaufgaben einzusetzen aber gleichzeitig auch neue Beobachtungsmethoden auszuprobieren. „Wir haben bisher nur an der Oberfläche von CHEOPS‘ Fähigkeiten gekratzt. Der Satellit bietet noch viel mehr wissenschaftliche Möglichkeiten, und wir freuen uns darauf, diese während der Verlängerung auszuloten“, erklärt Benz. „Ein sehr spannendes Ergebnis wäre die Entdeckung des ersten Exomonds“, verrät Ehrenreich. „Viele Planeten in unserem Sonnensystem haben Monde. Wir erwarten deshalb, dass wir diese auch in der Umlaufbahn von Exoplaneten finden werden, und wir beobachten bereits einige Kandidaten. Es ist jedoch schwierig, Exomonde zu entdecken, weil sie sehr klein und ihre Signaturen daher eher schwach sind. CHEOPS ist jedoch präzise genug, um Exomonde in der Größe des Planeten Mars zu finden, der doppelt so groß ist wie unser Mond. Wenn solche Exomonde in den von uns beobachteten Systemen existieren, könnten wir sie während der verlängerten Mission finden.“

Eine einzigartige Rolle im Bereich der Weltraummissionen
Ein weiteres einzigartiges Merkmal von CHEOPS ist die Fähigkeit, seine Kräfte mit anderen Weltraummissionen wie dem James Webb Space Telescope (JWST), einem Gemeinschaftsprojekt der NASA und der ESA, zu kombinieren. CHEOPS kann unser Wissen über bereits bekannte Exoplaneten verfeinern und so die besten Kandidaten für Atmosphärenbeobachtungen mit JWST auswählen. „Dank der Resultate von CHEOPS haben wir wertvolle JWST-Beobachtungszeit erhalten, um die Planeten des Systems TOI-178 zu betrachten und ihre atmosphärische Zusammensetzung zu bestimmen. Dies wird uns helfen, die dynamische Geschichte dieses Systems zu verstehen“, erklärt Prof. Yann Alibert von der Universität Bern. Alibert koordiniert ein CHEOPS-Programm, das sich mit der Verfolgung von multiplanetaren Systemen befasst, die vom NASA-Satelliten TESS entdeckt wurden. „Dies ist ein Beispiel für die große Synergie zwischen CHEOPS und anderen Missionen: TESS fand ursprünglich drei Planeten, die den Stern TOI-178 umkreisen. Als CHEOPS dieses System untersuchte, entdeckte es drei weitere Planeten und zeigte eine außergewöhnliche und zerbrechliche Orbitalharmonie. Das führte uns zur Annahme, dass dieses System seit Milliarden von Jahren ungestört ist“, erklärt Alibert.

„Die Forschung ist gespannt, welche überraschenden Ergebnisse CHEOPS als nächstes hervorbringen wird; nun steht fest, dass CHEOPS noch jahrelang neue Entdeckungen machen kann“, so Benz abschließend.

CHEOPS – Auf der Suche nach potenziell lebensfreundlichen Planeten
Die CHEOPS-Mission (CHaracterising ExOPlanets Satellite) ist die erste der neu geschaffenen «S-class missions» der ESA – Missionen der kleinen Klasse mit einem Budget, das kleiner ist als das von großen und mittleren Missionen, und mit einer kürzeren Zeitspanne von Projektbeginn bis zum Start.

CHEOPS widmet sich der Charakterisierung von Exoplaneten-Transiten. Dabei misst CHEOPS die Helligkeitsänderungen eines Sterns, wenn ein Planet vor diesem Stern vorbeizieht. Aus diesem Messwert lässt sich die Größe des Planeten ableiten und mit bereits vorhandenen Daten daraus die Dichte bestimmen. So erhält man wichtige Informationen über diese Planeten – zum Beispiel, ob sie überwiegend felsig sind, aus Gasen bestehen oder ob sich auf ihnen tiefe Ozeane befinden. Dies wiederum ist ein wichtiger Schritt, um zu bestimmen ob auf einem Planeten lebensfreundliche Bedingungen herrschen.

CHEOPS wurde im Rahmen einer Partnerschaft zwischen der ESA und der Schweiz entwickelt. Unter der Leitung der Universität Bern und der ESA war ein Konsortium mit mehr als hundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Ingenieurinnen und Ingenieuren aus elf europäischen Nationen während fünf Jahren am Bau des Satelliten beteiligt.

CHEOPS hat am Mittwoch, 18. Dezember 2019 an Bord einer Sojus-Fregat-Rakete vom Europäischen Weltraumbahnhof Kourou, Französisch-Guyana, seine Reise ins Weltall angetreten. Seither umkreist CHEOPS die Erde innerhalb von ungefähr anderthalb Stunden in einer Höhe von 700 Kilometer entlang der Tag-Nacht-Grenze.

Der Bund beteiligt sich am CHEOPS-Teleskop im Rahmen des PRODEX-Programms (PROgramme de Développement d’EXpériences scientifiques) der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Über dieses Programm können national Beiträge für Wissenschaftsmissionen durch Projektteams aus Forschung und Industrie entwickelt und gebaut werden. Dieser Wissens- und Technologietransfer zwischen Wissenschaft und Industrie verschafft dem Werkplatz Schweiz letztlich auch einen strukturellen Wettbewerbsvorteil – und er ermöglicht, dass Technologien, Verfahren und Produkte in andere Märkte einfließen und so einen Mehrwert für unsere Wirtschaft erbringen.

Mehr Informationen: https://cheops.unibe.ch/de/.

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• Weltraumteleskop Cheops – CHaracterising ExOPlanets Satellite

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

Eine Kombination von systematischen Beobachtungen mit kosmologischen Simulationen hat gezeigt, dass Schwarze Löcher überraschenderweise bestimmten Galaxien helfen können, neue Sterne zu bilden. Die übliche Rolle supermassereicher Schwarze Löcher für die Sternentstehung ist destruktiv: sie können Galaxien das für die Sternentstehung nötige Gas austreiben. Die neuen Ergebnisse, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, zeigen dagegen Situationen, in denen aktive Schwarze Löcher stattdessen bestimmten Galaxien sozusagen den Weg frei machen und verhindern, dass die Sternentstehung gestört wird, während jene Galaxien durch das umgebende intergalaktische Gas fliegen.

Aktive Schwarze Löcher in Galaxien haben eher einen zerstörerischen Ruf. Die Energie, die sie freisetzen, heizt Gas in ihrer Heimatgalaxie auf und sorgt teilweise sogar dafür, dass Gas aus der Galaxie „hinausgeblasen“ wird. Beides erschwert es der Galaxie, neue Sterne zu produzieren. Doch nun haben Forscher*innen herausgefunden, dass aktive Schwarze Löcher die Sternentstehung in einigen Fällen sogar unterstützen können – zumindest bei den Satellitengalaxien, die ihre Heimatgalaxie umkreisen.

Diese unerwartete Erkenntnis erwuchs aus einer Zusammenarbeit, die letztlich auf ein Mittagspausen-Gespräch zwischen einer auf Computersimulationen spezialisierten Astronomin und einem beobachtenden Astronomen zurückging. Als solches ist es ein gutes Beispiel für die Art von informellem wissenschaftlichem Austausch, der derzeit unter Pandemiebedingungen deutlich schwieriger ist als vorher.

Sternentstehung in Galaxien
Astronomische Beobachtungen, bei denen ein Spektrum einer fernen Galaxie aufgenommen wird – die regenbogenartige Aufspaltung des Lichts einer Galaxie in seine verschiedenen Wellenlängen – ermöglichen eine vergleichsweise direkte Bestimmung der Geschwindigkeit, mit der jene Galaxie neue Sterne bildet.

Für viele Galaxien liegen die Sternentstehungsraten solchen Messungen nach bei eher bescheidenen Raten. In unserer eigenen Milchstraßengalaxie werden nur ein oder zwei neue Sterne pro Jahr geboren. In anderen Galaxien gibt es kurze Ausbrüche intensiver Sternentstehungsaktivität, so genannte „Starbursts“, bei denen Hunderte von Sternen pro Jahr geboren werden. In wieder anderen Galaxien scheint die Sternentstehung unterdrückt zu sein: Solche Galaxien haben praktisch aufgehört, neue Sterne zu bilden.

Wenn Sternentstehung unterdrückt wird
Eine besondere Art von Galaxien, deren Exemplare häufig, nämlich in fast der Hälfte der Fälle in solch einem Zustand unterdrückter Sternentstehungsaktivität gefunden werden, sind sogenannte Satellitengalaxien. Solche Galaxien sind Teil einer Gruppe oder eines Haufens von Galaxien, ihre Masse ist vergleichsweise gering, und sie umkreisen eine deutlich massereichere Zentralgalaxie, ähnlich wie Satelliten die Erde umkreisen.

Seit den 1970er Jahren haben Astronomen vermutet, dass der Grund für die Unterdrückung der Sternentstehungs-Aktivität solcher Satellitengalaxien mit einer Art Fahrtwind zusammenhängen könnte: Galaxiengruppen und Galaxienhaufen enthalten nämlich nicht nur Galaxien, sondern auch heißes, dünnes Gas, das den intergalaktischen Raum ausfüllt.

Satellitengalaxien-Gas im Fahrtwind
Läuft so eine Satellitengalaxie mit einer Geschwindigkeit von Hunderten von Kilometern pro Sekunde im Galaxienhaufen um, dann würde sie durch das dünne Gas die gleiche Art von Fahrtwind spüren wie jemand, der mit hoher Geschwindigkeit Fahrrad oder Motorrad fährt. Die Sterne der Satellitengalaxie sind dabei viel zu klein und kompakt, um vom Fahrtwind des entgegenkommenden intergalaktischen Gases merklich beeinflusst zu werden. Aber das eigene Gas der Satellitengalaxie ist es nicht.

Es würde durch das entgegenkommende heiße intergalaktische Gas durch sogenannten „Staudruck“ – Fahrtwind – entgegen der Flugrichtung aus der Satellitengalaxie herausgedrückt. Andererseits hat eine sich schnell bewegende Galaxie keine Chance, eine ausreichende Menge an intergalaktischem Gas anzuziehen, um ihr Gasreservoir wieder aufzufüllen. Im Endeffekt verlieren Satellitengalaxien ihr Gas auf diese Weise so gut wie vollständig. Damit fehlt anschließend das Rohmaterial, das für die Sternentstehung benötigt wird, und die Sternentstehungsaktivität der Satellitengalaxie kommt zum Erliegen.

Von der Nützlichkeit virtueller Universen
Die fraglichen Prozesse laufen über Millionen oder gar Milliarden von Jahren hinweg ab, so dass wir nicht direkt beobachten können, was da vor sich geht. Trotzdem gibt es Möglichkeiten für Astronom*innen, mehr zu erfahren: Computersimulationen von virtuellen Universen, deren Evolution denselben physikalischen Gesetzen folgt wie in unserem eigenen Universum. Die Ergebnisse solcher Simulationen lassen sich mit echten astronomischen Beobachtungen vergleichen – und innerhalb der Simulationen können wir dann jeweils der Frage nachgehen wie das, was wir da sehen, entstanden ist.

Annalisa Pillepich, eine Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), ist auf diese Art kosmologischer Simulationen spezialisiert. Die IllustrisTNG-Simulationsreihe, die Pillepich mit geleitet hat, liefert die bisher detailliertesten virtuellen Universen – Universen, in denen Forscher die Bewegung von Gas auf vergleichsweise kleinen Skalen verfolgen können.

Quallen-Galaxien und simulierte Schwarze Löcher
IllustrisTNG liefert einige extreme Beispiele für Satellitengalaxien, die ihr Gas gerade erst durch den Staudruck verloren haben: sogenannte „Quallen-Galaxien“, die die Überreste ihres Gases hinter sich herziehen wie Quallen ihre Tentakel. Tatsächlich ist die Identifizierung aller Quallen-Galaxien in diesen Simulationen ein kürzlich gestartetes Citizen-Science-Projekt auf der Plattform Zooniverse. Dort können Freiwillige bei der Erforschung der Quallen-Galaxien mithelfen.

Aber obwohl Quallen-Galaxien für die Erforschung der Satellitengalaxien wichtig sind, war der Ausgangspunkt für das hier beschriebene Forschungsprojekt ein anderer: Bei einem Mittagessen im November 2019 erzählte Pillepich dem auf Beobachtungen spezialisierten Astronomen Ignacio Martín-Navarro, der mit einem Marie-Curie-Stipendium am MPIA war, von einem anderen IllustrisTNG-Ergebnis: wie weit der Einfluss supermassereicher Schwarzer Löcher über ihre Heimatgalaxie hinaus in den intergalaktischen Raum reicht.

Wenn Schwarze Löcher Gasblasen erzeugen
Supermassereiche Schwarze Löcher finden sich im Zentrum so gut wie aller Galaxien. Materie, die auf ein solches Schwarzes Loch fällt, wird typischerweise Teil einer rotierenden Scheibe, der sogenannten Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umgibt. Vom inneren Rand der Akkretionsscheibe aus fällt Materie in das Schwarze Loch hinein. Fällt von außen weitere Materie auf die Akkretionsscheibe, setzt das eine enorme Energiemengen in Form von Strahlung frei. Oft entstehen auch zwei entgegengesetzte Jets aus schnell bewegten Teilchen, die rechtwinklig zur Akkretionsscheibe vom Schwarzen Loch weg beschleunigt werden. Ein supermassereiches Schwarzes Loch, das auf diese Weise Energie abstrahlt, nennt man Aktiven Galaxienkern, nach dem englischen active galactic nucleus abgekürzt zu „AGN“.

IllustrisTNG ist zwar nicht detailliert genug, um Jets von Schwarzen Löchern einzubeziehen. Aber das Modelluniversum ist so detailliert, dass es allgemeiner simulieren kann, wie ein AGN dem umgebenden Gas Energie zuführt. Wie die Simulation zeigte, führt diese Energiezufuhr zu Gasflüssen, die sich entlang eines Weges des geringsten Widerstands ausbreiten: im Fall von Scheibengalaxien, ähnlich unserer eigenen Milchstraße, senkrecht zur Sternscheibe; bei sogenannten elliptischen Galaxien senkrecht zu einer geeigneten Ebene, die durch die Anordnung der Sterne der Galaxie definiert ist (siehe diese MPIA-Wissenschaftsmitteilung von 2019).

Mit der Zeit arbeitet sich das ausströmende Gas senkrecht zur Scheibe oder bevorzugten Ebene soweit nach außen vor, dass es die intergalaktische Umgebung beeinflusst – also das dünne Gas, das die Galaxie umgibt. Die Gasflüsse drücken das intergalaktische Gas weiter nach außen, so dass auf jeder Seite der Galaxie eine gigantische Blase entsteht. Das war der Umstand, der Pillepich und Martín-Navarro zum Nachdenken brachte: Wenn eine Satellitengalaxie eine solche Blase durchquert – würden die vom AGN hervorgerufenen Gasflüsse zum Fahrtwind beitragen, den die Satellitengalaxie verspürt, und würde die Sternentstehungsaktivität der Satellitengalaxie dadurch noch weiter gebremst werden?

Ein beobachtbarer Unterschied
Martín-Navarro ging der Frage mit seinen eigenen Werkzeugen nach. Er hatte bereits vorher mit Daten einer der bisher größten systematischen Himmelsdurchmusterungen gearbeitet: des Sloan Digital Sky Survey (SDSS), der hochwertige Bilder und Spektren eines großen Teils der nördlichen Himmelskugel liefert. In den öffentlich zugänglichen Daten dieser Durchmusterung untersuchte Martín-Navarro 30.000 Galaxiengruppen und -haufen, von denen jede eine zentrale Galaxie und im Durchschnitt 4 Satellitengalaxien enthält.

Bei einer statistischen Analyse dieser Tausenden von Systemen fand er einen kleinen, aber deutlichen Unterschied zwischen Satellitengalaxien, die nahe an der bevorzugten Ebene der Zentralgalaxie lagen, und Satelliten, die deutlich darüber oder darunter lagen. Der Unterschied verlief jedoch genau anders herum, als es die Forscher erwartet hatten: Satellitengalaxien oberhalb und unterhalb der Ebene, also innerhalb der ausgedünnten Blasen, waren im Durchschnitt aktiver, was die Sternentstehung anging. Würde man zufällig eine der Satellitengalaxien auswählen, dann wäre die Wahrscheinlichkeit, dass die Sternenstehungsaktivität jener speziellen Galaxie zum Erliegen gekommen ist, für eine ober- oder unterhalb der Ebene befindliche Galaxie rund 5% geringer als für eine Galaxie nahe der Ebene.

Bestätigung im virtuellen Universum
Mit diesem überraschenden Ergebnis ging Martín-Navarro zurück zu Annalisa Pillepich, und die beiden führten die gleiche Art der statistischen Analyse im virtuellen Universum der IllustrisTNG-Simulationen durch. In solchen Simulationen wird die kosmische Evolution von den Forscher*innen ja gerade nicht „von Hand“ vorgegeben. Programmiert sind stattdessen Regeln, welche die physikalischen Gesetzmäßigkeiten im virtuellen Universum so realistisch wie möglich nachbilden. Außerdem sind für das virtuelle Universum Anfangsbedingungen hinterlegt, die dem Zustand unseres eigenen Universums kurz nach dem Urknall so nahe wie möglich kommen.

Regeln und Anfangsbedingungen sind die Grundlage, auf der sich das virtuelle Universum dann im Computer weiterentwickelt. Deshalb lassen solche Simulationen Raum für Unerwartetes. In diesem speziellen Fall war das: Raum für die Wiederentdeckung des Zusammenhangs zwischen der Position einer Satellitengalaxie – in der Ebene der zentralen Galaxie, oder darunter/darüber – und der Wahrscheinlichkeit, dass die Sternentstehung in einer solchen Satellitengalaxie bereits zum Erliegen gekommen ist. Genau diesen Zusammenhang fanden die Forscher*innen im virtuellen Universum wieder, einschließlich der Größe der Wahrscheinlichkeits-Abweichung von 5%.

Wie Schwarze Löcher Sternentstehung fördern können
Pillepich, Martín-Navarro und ihre Kollegen machten sich daraufhin Gedanken, welcher physikalische Mechanismus für den Zusammenhang verantwortlich sein könnte. Ihre Hypothese: Man stelle sich eine Satellitengalaxie vor, die durch eine der ausgedünnten Blasen reist, die das zentrale Schwarze Loch im umgebenden intergalaktische Medium erzeugt hat. Aufgrund der geringeren Dichte erfährt diese Satellitengalaxie weniger Fahrtwind, weniger Staudruck. Damit ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass das Gas jener Satellitengalaxie aus der Galaxie herausgedrückt wird.

Dabei kommt es auf die Statistik an. Bei Satellitengalaxien, die dieselbe Zentralgalaxie schon mehrmals umkreist haben und dabei Blasen, aber auch die dazwischen liegenden Regionen mit höherer Dichte mehrmals durchquert haben, wird der Effekt nicht weiter auffallen. Solche Galaxien haben ihr Gas längst verloren,

Aber für Satellitengalaxien, die erst kürzlich zu der Gruppe oder dem Haufen hinzugestoßen sind, wird der Ort einen Unterschied machen: Wenn diese Satelliten zufällig zuerst in einer Blase landen, ist es weniger wahrscheinlich, dass sie ihr Gas verloren haben, bis wir sie beobachten, als wenn sie beim Gruppen-Beitritt außerhalb einer Blase landen. Dieser Effekt könnte der Grund für den ortsbedingten statistischen Unterschied bei den Satellitengalaxien sein.

Weitere Forschung
Die Übereinstimmung zwischen den statistischen Analysen der SDSS-Beobachtungen und der IllustrisTNG-Simulationen, kombiniert mit einer plausiblen Hypothese für den dahinterstehenden physikalischen Mechanismus, ist ein vielversprechendes Ergebnis. Im Zusammenhang mit der Galaxienentwicklung ist das Ergebnis auch deswegen interessant, weil es indirekt bestätigt, dass aktive Galaxienkerne das umgebende intergalaktisches Gas nicht nur aufheizen, sondern aktiv „wegschieben“, um Regionen mit geringerer Dichte zu schaffen.

Und wie bei allen vielversprechenden Ergebnissen gibt es eine Reihe von naheliegenden Richtungen, in die Martín-Navarro, Pillepich und ihre Kollegen, aber auch andere Wissenschaftler*innen weiterforschen können.

Zunächst einmal gibt es weitere Simulationen, die ähnlich umfassend und detailliert sind wie IllustrisTNG, aber die kosmische Entwicklung etwas anders modellieren. Liefern diese Simulationen, wie zum Beispiel die EAGLE-Simulation, die gleichen Ergebnisse?

Ein Blick in die Vergangenheit und ein Weltraumteleskop in der Gegenwart
Die SDSS-Beobachtungen dokumentieren die Lage im Universum zu einem vergleichsweise späten Zeitpunkt. Allerdings gilt: Wenn Astronom*innen ins All blicken, blicken sie gleichzeitig in die Vergangenheit. Bereits die Andromedagalaxie sehen wir so, wie jene Galaxie vor 2,5 Millionen Jahren war, schlicht weil das Licht der Andromedagalaxie 2,5 Millionen Jahre benötigt hat, um zu uns zu gelangen. Auf diese Weise können Astronom*innen die Vergangenheit ferner kosmischer Regionen direkt beobachten.

Das wirft direkt die Frage auf: Zeigen Beobachtungen deutlich weiter entfernter Galaxien, also Beobachtungen, die das Universum so abbilden, wie es zu deutlich früheren Zeiten war („höhere Rotverschiebungen“), ähnliche statistische Unterschiede bei den damaligen Satellitengalaxien? Vom vorgeschlagenen Mechanismus her würde man sogar erwarten, dass der statistische Effekt in der Vergangenheit ausgeprägter war – und das ist eine Vorhersage, die sowohl anhand von Beobachtungen als auch innerhalb der virtuellen Universen kosmologischer Simulationen überprüft werden kann.

Nicht zuletzt liefern die neuen Ergebnisse zusätzliche Motivation dafür, IllustrisTNG-Vorhersage über das Auftreten von Regionen geringerer Dichte um die zentralen Galaxien von Galaxiengruppen und -haufen durch neuartige Beobachtungen auf den Prüfstand zu stellen. Das deutsch-russische Röntgeninstrument eROSITA, das im Sommer 2019 an Bord des SRG-Satelliten gestartet wurde, könnte diese großräumigen Strukturen innerhalb von Galaxiengruppen oder -haufen direkt nachweisen, indem es die Helligkeit des vom Gas emittierten Lichts bei verschiedenen Röntgenwellenlängen misst.

Hintergrundinformationen
Die neuen Ergebnisse sind veröffentlicht als I. Martín-Navarro et al, “ Anisotropic satellite galaxy quenching modulated by supermassive black hole activity“ in der Ausgabe vom 10. Juni 2021 der Zeitschrift Nature.

Die beteiligten MPIA-Forscher*innen sind Ignacio Martín-Navarro (auch Instituto de Astrofísica de Canarias, Instituto de Astrofísica de Canarias, Universidad de La Laguna), Annalisa Pillepich und Martina Donnari, in Zusammenarbeit mit Dylan Nelson (Max-Planck-Institut für Astrophysik und Universität Heidelberg), Vicente Rodriguez-Gomez (Universidad Nacional Autónoma de México), Lars Hernquist (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) und Volker Springel (Max-Planck-Institut für Astrophysik).

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• Sternentstehung

Der Beitrag Schwarze Löcher und die Sternentstehung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Excellence Cluster ORIGINS.

Monde sternenloser Planeten können eine Atmosphäre haben und flüssiges Wasser speichern. Münchner Astrophysiker haben berechnet, dass die Wassermenge ausreicht, um Leben auf diesen wandernden Mond-Planeten-Systemen zu ermöglichen und zu erhalten.

Wasser ist ein Lebenselixier. Aus ihm entstand auf der Erde Leben und gleichzeitig erhält es das Leben aufrecht. Daher suchen Wissenschaftler nach anderen Wasservorkommen im Universum. Jenseits der Erde konnte allerdings die Existenz von Flüssigwasser noch nicht direkt belegt werden. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass einige Monde in unserem äußeren Sonnensystem unter ihrer Oberfläche Ozeane aus flüssigem Wasser beherbergen könnten. Dazu gehören beispielsweise der Saturnmond Enceladus und die Jupitermonde Ganymed, Kallisto und Europa – wie sieht es aber mit Wasservorkommen auf Monden außerhalb unseres Sonnensystems aus?

Die Physiker des Exzellenzclusters ORIGINS, Prof. Barbara Ercolano und Dr. Tommaso Grassi von der LMU München, untersuchten daher in Kooperation mit der University of Concepsion in Chile mit mathematischen Methoden, ob sich Wasser auf einem Mond bilden kann, der einen freischwebenden Planeten (FFP) umkreist. Ein FFP (free-floating planet) bezeichnet einen Planeten, der von einem Stern losgelöst ist und in der Galaxie umherwandert.

Mehr als 100 Milliarden nomadenhafte Planeten
Und von diesen FFPs gibt es viele. Konservative Schätzungen legen nahe, dass es in der Milchstraße mindestens einen sternenlosen Planeten von der Größe des Jupiters pro Stern geben könnte. Bei weit über 100 Milliarden Sternen in unserer Galaxie wandern demnach weit mehr als 100 Milliarden solcher Planeten umher.

Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, dass die Wassermenge auf einem erdgroßen Mond rund ein zehntausendstel kleiner ist als in den Ozeanen der Erde, aber hundertfach so groß ist wie die Menge an Wasser in der Erdatmosphäre. Diese Menge an Wasser reicht aus um das Leben zu ermöglichen und zu erhalten.

Das Modell für die Berechnungen der Wissenschaftler besteht aus einem erdgroßen Mond, der um einen jupitergroßen Planeten kreist. Diese umherwandernden Mond-Planetensysteme leben quasi „in der Dunkelheit“, da sie weit von relevanten stellaren Objekten entfernt sind. Als „chemischer Antrieb“ und als Wärmequelle kann daher keine Sonne dienen, wie es bei unserer Erde der Fall ist.

Kosmische Strahlung und Gezeitenkräfte übernehmen das Ruder
Vielmehr übernimmt in dem Modell der Forscher die kosmische Strahlung den chemischen Antrieb, der notwendig ist, um molekularen Wasserstoff und Kohlendioxid in Wasser und andere Produkte umzuwandeln. Als Wärmequelle fungieren die Gezeitenkräfte, die der Planet auf den Mond ausübt. Sie erzeugen genügend Energie, um das Wasser in flüssiger Struktur zu erhalten. Die zu 90 Prozent aus Kohlendioxid bestehende Atmosphäre speichert mit Hilfe des Treibhauseffekts einen Großteil der Wärme auf dem Mond.

Originalpublikation:
Presence of water on exomoons orbiting free-floating planets: a case study. In: International Journal of Astrobiology, 8. Juni 2021.

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• Die Suche nach Exomonden

Der Beitrag Flüssiges Wasser auf Monden sternenloser Planeten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: Leibniz-Institut für Astrophysik, weltderphysik.de.

Wenn es um Leben in anderen Sonnensystemen geht, standen bisher die Exoplaneten im Zentrum des Interesses. Dagegen hat man der Bewohnbarkeit von Monden derartiger Planeten kaum Aufmerksamkeit geschenkt. Durch eine Veröffentlichung in der amerikanischen Fachzeitschrift „Astrobiology“ haben zwei Wissenschaftler, Rene Heller vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam und Rory Barnes von der Universität Washington in den USA, nun den Fokus auf potenzielle Monde solcher Planeten, so genannte Exomonde, gelenkt.

Beispiele für Monde, die um Gasriesen kreisen und ein Potential für Leben haben, findet man schon in unserem Sonnensystem: Die Jupitermonde Ganymed, Europa, Kallisto, die Saturnmonde Titan und insbesondere Enceladus könnten flüssiges Wasser als unabdingbare Voraussetzung für Leben aufweisen.
Die beiden Forscher haben ihre Berechnungen für zwei erst vor kurzem entdeckte Exoplaneten angestellt: Kepler-22b und KOI211.01. Zwar ist nicht bekannt, ob diese Planeten Monde besitzen, aber die Berechnungen wurden auf diese Planeten bezogen.
Exomonde sind weitergehenden astrophysikalischen Einwirkungen unterworfen als Exoplaneten, weil sie nicht nur um einen Stern kreisen, sondern auch noch um einen Planeten, also quasi von zwei Seiten Einflüssen ausgesetzt sind. Die wichtigsten sind:

• Die hochenergetische Strahlung des Mutterplaneten, die insbesondere die oberen Atmosphärenschichten beeinflusst und dafür sorgen kann, dass sich die Atmosphäre schon früh verflüchtigt.
• Die Auswirkungen der so genannten gebundenen Rotation, die dazu führt, dass der Mond seinem Mutterplaneten immer die gleiche Seite zuwendet, was starke Auswirkungen auf die klimatischen Bedingungen auf dem Mond haben kann.
• Die Tatsache, dass der Mond von zwei Körpern Strahlung erhält: Von seinem Stern und von seinem Planeten.
• Die so genannte Gezeitenheizung: Damit sind die starken Auswirkungen der Gravitationskräfte des Mutterplaneten auf die Monde gemeint, die z.B. beim Jupitermond Io das Gestein bis zu 300 Meter hoch auftürmen können. Gezeitenkräfte sorgen für eine Aufheizung der Monde.

Die beiden Forscher schlagen in ihrer Studie in Analogie zum Konzept der habitablen Zone von Exoplaneten (also der Zone um einen Stern, innerhalb derer auf einem Planeten Wasser im flüssigen Zustand existieren kann) eine so genannte „habitable Kante“ vor. Um bewohnbar zu sein, muss sich die Umlaufbahn eines Exomondes um seinen Planeten außerhalb dieser habitablen Kante befinden. Damit ist also der innerste mögliche Orbit gemeint, den ein Exomond noch einnehmen kann, damit auf ihm potenziell Leben existieren könnte. Nimmt man für den oben genannten Planeten Kepler-22b eine Masse von 10 Erdmassen an, dann bedeutet dies für einen eventuellen Exomond, dass dieser dann bewohnbar ist, wenn

• die große Halbachse des Mondes mindestens 10 Planetenradien beträgt,
• seine Bahnexzentrizität kleiner ist als 0,01. Zum Vergleich: Die Bahnexzentrizität der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne liegt bei 0,017. Wäre die Exzentrizität zu hoch, dann würde der Mond durch die Gezeitenkräfte so durchgeknetet, dass er durch übermäßige vulkanische Aktivitäten unbewohnbar würde. Andererseits sind auch Szenarien denkbar, in denen ein Exomond gerade erst durch die Gezeitenkräfte bewohnbar würde (genau das vermutet man auch bei Monden im Sonnensystem, z.B. bei Enceladus oder auch bei Europa),
• die Masse des Exomondes innerhalb bestimmter Grenzen liegt: Sie dürfte nicht weniger als ein Viertel der Erdmasse betragen (damit der Mond ein eigenes Magnetfeld besitzt, welches die gefährliche Strahlung des Mutterplaneten abschirmt und er eine tektonische Aktivität aufwiese) andererseits aber zwei Erdmassen nicht überschreiten (dann würde der Druck im Inneren zu groß und der Hitzetransport käme zum Erliegen).

Weist der Planet eine größere Masse auf, muss der Mond weiter außerhalb seine Bahn ziehen, um noch bewohnbar sein zu können. Kreist ein Mond innerhalb der habitablen Kante um seinen Mutterplaneten, dann kommt es aufgrund der dann zu stark werdenden Gezeitenkräfte zu einer Überhitzung und damit zu einem galoppierenden Treibhauseffekt, der die Atmosphäre zerstören würde. Natürlich muss auch die Umlaufbahn des Planeten innerhalb der habitablen Zone liegen.
Am Schluss geben die beiden Forscher ihrer Hoffnung Ausdruck, dass die bevorstehende ESA-Mission JUICE (Jupiter Icy Moon Orbiter) neue Erkenntnisse erbringen wird, die sich dann auch auf Exomonde übertragen lassen. Dies betrifft insbesondere die Stärke und Auswirkungen der Gezeitenkräfte, die Oberflächenchemie und den Aufbau des Gesteinsmantels, der Eisoberflächen und der Kerne.

Die Studie von Heller/Barnes in arXiv.org:

• Exomoon habitability constrained by illumination and tidal heating

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• Exoplaneten in habitabler Zone
• Exoplaneten
• Direkt beobachtbare Exoplaneten

Der Beitrag Klare Kante erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Lars-C. Depka und Karl Urban. Quelle: : UK’s Science and Technology Facilities Council,STFC, Lars-C. Depka, Kipping et al..

Es hat fast den Anschein, als wäre einigen Astronomen die Suche und das Forschen nach Exoplaneten schon ein wenig langweilig geworden, noch bevor die Frage nach der Existenz einer zweiten Erde beantwortet werden konnte. Seit der Entdeckung des ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems sind gut 15 Jahre vergangen und bis dato nur Exoplaneten vom Vielfachen unserer Erde nachgewiesen worden. Doch rückte jüngst eine neue Suche immer mehr in den Fokus einiger Planetologen: Die Suche nach Exomonden, die ihre extrasolaren Heimatwelten umrunden.

Und obschon sich die Monde ferner Welten um einiges kleiner und masseärmer als die aktuell erdähnlichsten der Exoplaneten nehmen, soll der Nachweis einiger derzeit noch hypothetischer Exomonde mittels althergebrachter Technik gelingen.

Grundlage der Arbeitsweise ist die Messung und Auswertung der Eigenbewegung von Sternen durch gravitative Einwirkungen der bzw. des sie umkreisenden Planeten. Man spricht in diesem Zusammenhang von der Doppler-Radialgeschwindigkeitsmethode. Zu Nutze macht man sich in diesem Fall die Tatsache, dass Planet(en) und Stern um ein gemeinsames Schwerkraftzentrum kreisen, welches zu einem hohen Prozentsatz zwar im Inneren des Zentralsterns, nicht jedoch in seinem Zentrum liegt. Vor dem Hintergrund der einwirkenden Gravitationskräfte des Planeten, steht der Stern also nicht still, sondern weist eine Bewegung auf, die ihn – bei Lage auf der Sichtlinie – relativ zur Erde auf uns zu, oder von uns weg bewegt.

Die auf diese Weise geänderte Bewegungsrichtung, sowie die damit zusammenhängenden Geschwindigkeitsänderungen des Sterns lassen sich durch hochauflösende spektroskopische Analysemethoden zuverlässig feststellen. Gegen die laufende Zeit aufgezeichnet, zeigen die Geschwindigkeitsänderungen eine typische Sinuskurve, die die Existenz eines oder mehrerer Planeten möglich erscheinen lässt. Darüber hinaus wird das Licht abhängig von der Bewegungsrichtung relativ zum Beobachter ins Rote oder Blaue verschoben. Aus der so ermittelten Blau- oder Rotverschiebung lässt sich direkt die Bewegungsgeschwindigkeit herleiten, die allerdings nicht die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Sichtlinie widerspiegelt.

In Zusammenhang damit steht gleichzeitig der auch einschneidende Nachteil der Radialgeschwindigkeitsmethode. Da das Ausmaß des „Wackelns“ der Sterne entscheidend vom Sichtwinkel relativ zum Beobachter abhängt, lässt sich die Planetenmasse nur näherungsweise im Rahmen gewisser Grenzen ermitteln. Schauen wir von der Erde aus gesehen exakt von „oben“ auf das Exoplanetensystem, dann sehen wir den Stern überhaupt nicht wackeln. Beobachten wir das System hingegen von der Kante aus, dann messen wir den größten Effekt.

Prinzipiell soll die Doppler-Radialgeschwindigkeitsmethode nun auch dazu verhelfen, Monde in einem Exoplanet/Exomond-System dingfest zu machen. Die Mehrzahl aller bekannten Exoplanten sind Gasgiganten und Überjupiter, die (wenn es nach jüngsten Vergleichsstudien geht) durchaus von erdähnlichen Monden begleitet werden könnten.

Bislang galt die ganze Aufmerksamkeit bei Beobachtungen mittels der Radialgeschwindigkeitsmethode den Positionsveränderungen, die durch den Orbit eines Planeten um seinen Mutterstern hervorgerufen werden, was den Nachweis eines Exomonds in einem auf diese Weise differenzierten System nicht mit der gebotenen Evidenz zulässt. Schließlich könnten die festgestellten Positionsverschiebungen ursächlich auch durch andersartige Phänomene, wie beispielsweise einen weiteren (kleineren) Planeten hervorgerufen werden.

Durch Adaption und Verfeinerung der Analyseroutinen bezüglich der Planetenpositionen und ihrer Verhaltensweisen, hofft man nun, in absehbarer Zeit terrestrische Monde bis hinunter zu einer Erdmasse um extrasolare Neptune (also [Gas-]Planeten von wenigstens 20 Erdmassen), sowie ihre Abstände zum Zentralstern und Planeten, ermitteln zu können. Von den aktuell über 370 bekannten Exoplaneten befinden sich etwa 10% von ihnen innerhalb der jeweiligen habitablen Zone um ihren Zentralstern. Jedoch sind sämtliche dieser knapp 30 Planeten als Über- bzw. Jupiter einzustufen. Diese Art Gasgiganten sind nach derzeit geltender Interpretation nicht dazu geeignet, Leben (so wie wir es kennen) hervorzubringen.

Eine weitere Gelegenheit nach Nischen zu fahnden, die kohlenstoffbasiertem Leben nicht grundsätzlich abträglich gegenüberstehen, liegt also in der Suche nach erdähnlichen Gesteinsmonden um die Gasriesen. Gewissen Grund zum (spekulativen) Optimismus liefert die Tatsache, dass allein die beiden größten Planeten unseres Sonnensystems mehr als 120 bekannte Monde aufweisen, von denen einer, der Titan, über eine dichte Atmosphäre verfügt.

Eine aktuelle Veröffentlichung eines englisch-italienischen Forscherteams kommt zu dem Schluss, dass auch das im März 2009 gestartete Weltraumteleskop Kepler technisch in der Lage sein dürfte, Exomonde zu entdecken. Anders als oben beschrieben, setzt der NASA-Satellit auf die exakte Helligkeitsmessung tausender Sterne. Zieht ein Planet an seinem Gestirn vorbei, verringert sich dessen Helligkeit.

Anhand bereits bekannter, mit dieser Methode entdeckte Planeten, müssten jedoch nicht immer zur richtigen Zeit erscheinen, ihr Transit wäre durch den Einfluss kleinerer Monde gewissen Schwankungen unterworfen. Exomonde werden Transitzeiten verzögern und die Transitdauer verändern. Die Autoren sagen voraus, dass mit Kepler Exomonde bis zu einer Masse von 0,2 Erdmassen nachweisbar wären. Zuerst jedoch muss das Teleskop genügend Planeten entdecken.

Raumcon

• Exoplaneten
• Delta II D7925-10L mit Kepler

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