Quelle: ESA/Science&Exploration/SpaceScience/Webb, 13. August 2025

Eine schützende Atmosphäre, eine freundliche Sonne und viel flüssiges Wasser – die Erde ist ein besonderer Ort. Mit den beispiellosen Fähigkeiten des Webb-Teleskops wollen Astronomen herausfinden, wie besonders und selten unser Heimatplanet tatsächlich ist. Kann diese gemäßigte Umgebung auch anderswo existieren, sogar um einen anderen Sterntyp herum? Das TRAPPIST-1-System bietet eine spannende Gelegenheit, dieser Frage nachzugehen, da es sieben erdgroße Welten umfasst, die den häufigsten Sterntyp in der Galaxie umkreisen: einen roten Zwerg.

„Letztendlich wollen wir wissen, ob es anderswo eine Umgebung gibt, die der auf der Erde ähnelt, und unter welchen Bedingungen. weil das James-Webb-Weltraumteleskop uns erstmals die Möglichkeit gibt, diese Frage bei erdähnlichen Planeten zu untersuchen, können wir zum jetzigen Zeitpunkt TRAPPIST-1 d von der Liste der potenziellen Zwillinge oder Cousins der Erde streichen“, sagte Caroline Piaulet-Ghorayeb von der University of Chicago und dem Trottier Institute for Research on Exoplanets (IREx) an der Université de Montréal, Hauptautorin der in The Astrophysical Journal veröffentlichten Studie

Der Planet TRAPPIST-1 d

Das TRAPPIST-1-System ist 40 Lichtjahre entfernt und offenbarte sich 2017 dank Daten des außer Dienst gestellten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA und anderer Observatorien als Rekordhalter für die meisten erdgroßen Gesteinsplaneten um einen einzelnen Stern. Da es sich bei diesem Stern um einen lichtschwachen, relativ kalten Roten Zwerg handelt, liegt die „habitable Zone“ – der Bereich in dem die Temperatur des Planeten genau richtig sein könnte, um flüssiges Oberflächenwasser zu ermöglichen – viel näher am Stern als in unserem Sonnensystem. TRAPPIST-1 d, der dritte Planet des Roten Zwergsterns, liegt an der Schwelle zu dieser gemäßigten Zone, doch sein Abstand zu seinem Stern beträgt nur 2 Prozent des Abstands der Erde von der Sonne. TRAPPIST-1 d vollendet eine vollständige Umlaufbahn um seinen Stern, sein Jahr, in nur vier Erdentagen.
Webbs NIRSpec-Instrument (Nahinfrarot-Spektrograph) konnte auf TRAPPIST-1 d keine in der Erdatmosphäre häufig vorkommenden Moleküle wie Wasser, Methan oder Kohlendioxid nachweisen. Piaulet-Ghorayeb skizzierte für den Exoplaneten jedoch mehrere Punkte, die für weitere Untersuchungen offen sind.
„Es gibt mehrere mögliche Gründe, warum wir um TRAPPIST-1 d keine Atmosphäre entdecken konnten. Er könnte eine extrem dünne Atmosphäre haben, die schwer zu erkennen ist, ähnlich wie beim Mars. Alternativ könnten sehr dichte Wolken in großer Höhe die Erkennung spezifischer atmosphärischer Signaturen blockieren – ähnlich wie bei der Venus. Oder es könnte sich um einen kargen Felsen ohne jegliche Atmosphäre handeln“, sagte Piaulet-Ghorayeb.

Die Stern TRAPPIST-1

Was auch immer auf TRAPPIST-1 d zutrifft, es ist hart, ein Planet im Orbit eines roten Zwergsterns zu sein. TRAPPIST-1, der Mutterstern des Systems, ist bekannt für seine Unbeständigkeit und setzt häufig hochenergetische Strahlung frei, die die Atmosphäre seiner kleinen Planeten zerstören kann, insbesondere derjenigen, die ihm am nächsten kommen. Dennoch sind Wissenschaftler motiviert, nach Anzeichen von Atmosphären auf den TRAPPIST-1-Planeten zu suchen, da rote Zwergsterne die häufigsten Sterne in unserer Galaxie sind. Wenn Planeten hier unter Wellen harter Sternstrahlung eine Atmosphäre bewahren können, könnten sie es, wie man so schön sagt, überall schaffen.
„Webbs empfindliche Infrarotinstrumente ermöglichen es uns erstmals, in die Atmosphären dieser kleineren, kälteren Planeten einzutauchen“, sagte Björn Benneke vom IREx an der Université de Montréal, ein Co-Autor der Studie. „Wir stehen erst am Anfang, Webb zu nutzen, um nach Atmosphären auf erdgroßen Planeten zu suchen und die Grenze zwischen Planeten, die eine Atmosphäre halten können, und solchen, die das nicht können, zu ziehen.“

Die äußeren TRAPPIST-1 Planeten

Die Beobachtungen der äußeren TRAPPIST-1-Planeten durch Webb laufen noch, was sowohl Potenzial als auch Gefahren birgt. Einerseits, so Benneke, könnten die Planeten e, f, g und h aufgrund ihrer größeren Entfernung von den energiereichen Eruptionen ihres Muttersterns eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Atmosphäre aufweisen. Ihre Entfernung und die kältere Umgebung erschweren jedoch die Erkennung atmosphärischer Signaturen, selbst mit Webbs Infrarotinstrumenten.
„Für die Atmosphären um die TRAPPIST-1-Planeten ist noch nicht alle Hoffnung verloren“, sagte Piaulet-Ghorayeb. „Obwohl wir bei Planet d keine große, deutliche atmosphärische Signatur gefunden haben, besteht dennoch die Möglichkeit, dass die äußeren Planeten viel Wasser und andere atmosphärische Komponenten enthalten.“
„Unsere Detektivarbeit hat gerade erst begonnen. Während sich TRAPPIST-1 d als karger Felsbrocken erweisen könnte, der von einem grausamen roten Stern erleuchtet wird, könnten die äußeren Planeten TRAPPIST-1e, f, g und h dennoch dichte Atmosphären besitzen“, fügte Ryan MacDonald hinzu, ein Co-Autor der Studie, der jetzt an der University of St Andrews in Großbritannien und zuvor an der University of Michigan forscht. „Dank Webb wissen wir nun, dass TRAPPIST-1 d alles andere als eine gastfreundliche Welt ist. Wir lernen, dass die Erde im Kosmos weiter eine besondere Rolle spielt.“

Links:

• Release on esawebb.org
• Science paper

Weitere Informationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Start des Teleskops mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Adaptionen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den leistungsstarken Spektrographen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium national finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.
Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

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Im AstroGeo-Podcast erzählen Karl Urban und Franzi Konitzer abwechselnd eine Geschichte, die ihnen die Steine des kosmischen Vorgartens eingeflüstert oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben.
In dieser Episode geht es um euer Feedback zu den Geschichten: Das AstroGeoPlänkel ist eine regelmäßige Sonderfolge, in der es um eure Fragen, Kommentare, Anmerkungen und Wünsche geht.

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Eingepackt in eine dicke Atmosphäre aus Wasserstoff fristet K2-18b seit einigen Jahrmilliarden eine eigentlich unbescholtene Existenz als Exoplanet um einen roten Zwergstern. Er kreist irgendwo in Richtung des Sternbilds Löwe, rund 120 Lichtjahre von uns entfernt. Doch nachdem Forschende ihn 2015 entdeckt hatten, gerieten zumindest sie in Aufregung: Denn K2-18b ist zwar größer als die Erde und gleichzeitig weniger dicht – er besitzt also vermutlich keine feste Oberfläche aus Gestein – aber er umkreist seinen Stern in der sogenannten habitablen Zone: der Region um einen Stern, in der es flüssiges Wasser geben könnte. Außerdem ist der Planet mit einer dicken Atmosphäre gesegnet, die sich indirekt mit unseren Weltraumteleskopen beobachten lässt. Somit ist K2-18b ein perfektes Ziel für Forscherinnen und Forscher, die mehr über die für uns so fremde Welt erfahren wollen.

In dieser Podcastfolge erzählt Franzi die Geschichte des Exoplaneten K2-18b: was wir derzeit wirklich über diesen Planeten wissen können und was nicht – und woher die Gerüchte kommen, dass auf diesem so unscheinbaren Exoplaneten gar eine Biosignatur entdeckt worden sein soll.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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Mit einem Happs ist alles im Schlund: Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, ist das ein gewaltiges kosmisches Ereignis, das die ganze Raumzeit erbeben lässt. Physikerinnen und Physiker freuen sich dann über die dabei entstehen Gravitationswellen, jenes Zittern der Raumzeit, das erstmals 2015 mit dem Gravitationswellendetektor LIGO gemessen wurde. Inzwischen ist die Entdeckung von solchen Verschmelzungen fast Routine geworden, über 90 Ereignisse zählt der dritte Gravitationswellenkatalog.

Doch schon das erste entdeckte Gravitationswellensignal namens GW150904 gab Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehrere Rätsel auf: Die beiden Schwarzen Löcher, die da miteinander verschmolzen, waren eigentlich viel zu massereich, um existieren zu dürfen. Und kaum hatte man sich darüber Gedanken gemacht, gab es schon das nächste Problem: Wie schafft es dieses kompakte Doppelsystem, sich überhaupt nahe genug zu kommen, um miteinander zu verschmelzen, ohne sich vorher schon zu zerstören? Und dazu müsste dieser kosmische Annäherungsversuch eigentlich länger brauchen, als das Universum alt ist.

Franzi erzählt Karl in dieser Podcast-Folge die Geschichte dieser kompakten Binärsysteme: Denn Forschende wissen inzwischen dank der Gravitationswellen, dass es sie gibt. Warum es sie gibt, ist hingegen weniger klar.

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Sterne gibt es entweder im Miniaturformat: Von Roten Zwergen über die uns vertrauten sonnenähnlichen Sterne bis zu den geradezu überdimensionierten Gesellen: Blaue Riesen. Sie können einige hundert Mal so groß wie die Sonne sein. Zu einem Besuch wird abgeraten: In ihrer Umgebung geht es hoch her. Und doch haben wir den Blauen Riesen eine ganze Menge zu verdanken: den Kohlenstoff, aus dem das Leben besteht oder den Sauerstoff, den wir in jedem Moment atmen. Ohne Blaue Riesen gäbe es uns wahrscheinlich nicht.

Doch Blaue Riesen sind nicht nur recht selten, sondern es gibt sie auch nur für relativ kurze Zeit: Die Kernfusion in ihrem Innern hält nur wenige Millionen Jahre durch, bevor Blaue Riesen als Supernova explodieren. Und dann ist da auch noch die Tatsache, dass gerade diese riesigen Sterne üblicherweise nicht allein vorkommen, sondern fast immer einen Begleitstern haben. Und wenn der auch ein Blauer Riese ist, dann wird es richtig spannend!

In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi die Geschichte der massereichsten Sterne im Universum: wie sie aussehen, warum ihre Entwicklung so spannend ist und was wir ihnen zu verdanken haben – vor allem, wenn sie im Doppelpack vorkommen. Plus Beobachtungstipps, wo und wie ihr selbst Blaue Riesen sehen könnt.

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• Sternentstehung
• Supernovae
• AstroGeo Podcast

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Quelle: Universität Bern.

7. Januar 2022 – «Rote Zwerge» sind kleine Sterne und somit viel kühler als unsere Sonne. Um solche Sterne ist flüssiges Wasser auf Planeten möglich, die sich viel näher am Stern befinden als in unserem Sonnensystem. Die Entfernung zwischen einem Exoplaneten und seinem Stern ist ein entscheidender Faktor für seine Entdeckung: Je näher ein Planet bei seinem Wirtsstern ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass er entdeckt werden kann.

In einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde, berichten Forschende unter der Leitung von Nicole Schanche vom Center for Space and Habitability CSH der Universität Bern von der Entdeckung des Exoplaneten TOI-2257 b, der um einen nahen Roten Zwerg kreist. Nicole Schanche ist auch Mitglied beim Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS, den die Universität Bern gemeinsam mit der Universität Genf leitet.

Ein Spezialteleskop trägt zur Lösung bei
Exoplaneten, die sehr weit von unserem Sonnensystem entfernt sind, können nicht direkt mit einem Teleskop beobachtet werden – sie sind zu klein und reflektieren zu wenig Licht. Eine Möglichkeit, solche Planeten dennoch aufzuspüren, ist die sogenannte Transitmethode. Dabei wird mit Teleskopen nach Einbrüchen in der Helligkeit des Sterns gesucht, die entstehen, wenn ein Planet vor dem Stern vorbeizieht. Wiederholte Messungen dieses Helligkeitseinbruchs geben Aufschluss auf die Umlaufzeit des Planeten um den Stern. Die Intensität des Einbruchs ermöglicht es den Forschenden, den Durchmesser des Planeten zu bestimmen. Kombiniert mit Schätzungen der Planetenmasse aus anderen Methoden, wie zum Beispiel durch Messungen der Radialgeschwindigkeit, kann schließlich die Planetendichte berechnet werden.

Der Planet TOI-2257 b wurde zunächst durch Daten des Weltraumteleskops Transiting Exoplanet Survey Satellite TESS der NASA identifiziert. Der kleine Stern wurde zwar insgesamt vier Monate lang beobachtet, doch die Lücken zwischen den Beobachtungen bedeuteten, dass nicht klar war, ob der Helligkeitsabfall durch den Transit eines Planeten erklärt werden könnte mit einer Umlaufbahn von 176, 88, 59, 44 oder 35 Tagen.

Dank der Beobachtung des Sterns mit dem Las Cumbres Observatory Global Telescope konnte anschließend ausgeschlossen werden, dass ein Planet mit 59 Tagen Umlaufzeit den Helligkeitsabfall verursacht. «Als nächstes wollten wir herausfinden, ob die 35 Tage Umlaufzeit möglich sein könnten», erklärt die Erstautorin Nicole Schanche.

Das in Mexiko stationierte SAINT-EX-Teleskop, das das CSH und der NFS PlanetS mitbetreiben, wurde speziell für die genauere Beobachtung von Roten Zwergen und ihren Planeten entwickelt. SAINT-EX ist eine Abkürzung, die für Search And characterIsatioN of Transiting EXoplanets steht. Das Projekt wurde zu Ehren von Antoine de Saint-Exupéry (Saint-Ex), dem berühmten Schriftsteller, Dichter und Flieger, benannt. SAINT-EX beobachtete einen partiellen Transit von TOI-2257 b und konnte die genaue Umlaufzeit des Exoplaneten um seinen Stern bestätigen, nämlich 35 Tage. «Weitere 35 Tage später war SAINT-EX in der Lage, den gesamten Transit zu beobachten, was uns noch mehr Informationen zu den Eigenschaften des Systems lieferte», sagt Co-Autor Robert Wells vom CSH, der an der Datenverarbeitung beteiligt war.

Ein Planet mit unregelmäßiger Umlaufbahn
Mit seinen 35 Tagen Umlaufzeit umkreist TOI-2257 b den Wirtsstern in einem Abstand, in dem flüssiges Wasser auf dem Planeten möglich ist, und daher könnten förderliche Bedingungen für die Entstehung von Leben dort herrschen. Planeten in der so genannten «habitablen Zone» bei einem roten Zwergstern sind leichter zu untersuchen, da sie kürzere Umlaufzeiten haben und somit öfter zu beobachten sind. Der Radius von TOI-2257 b (2,2 Mal grösser als der der Erde) deutet darauf hin, dass der Planet eher gasförmig ist und ein hoher atmosphärischer Druck herrscht, der für die Entstehung von Leben nicht förderlich ist.

«Wir haben festgestellt, dass TOI-2257 b keine kreisförmige, konzentrische Umlaufbahn hat», erklärt Nicole Schanche. Es handle sich sogar um den exzentrischsten Planeten, der einen kühlen Stern umkreist, der je entdeckt worden sei. «Im Hinblick auf eine mögliche Bewohnbarkeit ist dies leider eine schlechte Nachricht», so Nicole Schanche weiter. «Während die durchschnittliche Temperatur des Planeten angenehm ist, schwankt sie zwischen -80 °C und etwa 100 °C, je nachdem wo auf seiner Umlaufbahn der Planet sich befindet, ob fern oder nah vom Stern.»

Eine mögliche Erklärung für diese überraschende Umlaufbahn sei, dass weiter außen im System ein riesiger Planet lauere und die Umlaufbahn von TOI 2257 b störe. Weitere Beobachtungen, bei denen die Radialgeschwindigkeit des Sterns gemessen wird, sollen helfen, die Exzentrizität zu bestätigen und nach möglichen zusätzlichen Planeten zu suchen, die nicht im Transit beobachtet werden konnten.

Kandidat für die Beobachtung mit JWST
Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), das am 25. Dezember 2021 erfolgreich gestartet ist, wird die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten revolutionieren. Um eine Priorisierung guter Kandidaten für Beobachtungen mit dem JWST zu ermöglichen, wurde eine sogenannte Transmissionsspektroskopie-Metrik (TSM) entwickelt, die verschiedene Systemeigenschaften gewichtet. TOI-2257 b ist in Bezug auf TSM gut positioniert und ist eines der attraktivsten Sub-Neptun-Ziele für weitere Beobachtungen. «Insbesondere könnte der Planet auf Anzeichen von Merkmalen wie Wasserdampf in der Atmosphäre untersucht werden», sagt Nicole Schanche abschließend.

Angaben zur Publikation:
Nicole Schanche et. Al., TOI-2257 b: A highly eccentric long-period sub-Neptune transiting a nearby M dwarf, Astronomy & Astrophysics DOI: 10.1051/0004-6361/202142280 https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/01/aa42280-21/aa42280-21.html

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• Exoplaneten in habitabler Zone

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Quelle: Universität Bern.

Rote Zwerge sind die kühlsten Sterne. Verglichen zur Sonne ist auf Planeten in ihrer Nähe die Existenz von flüssigem Wasser potenziell möglich. Bei der Suche nach bewohnbaren Welten jenseits der Grenzen unseres Sonnensystems ist dies ein großer Vorteil: Denn die Entfernung zwischen einem Exoplaneten und seinem Stern ist ein entscheidender Faktor für seine Entdeckung. Je näher die beiden sind, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass Astronominnen und Astronomen den Planeten von der Erde aus ausfindig machen können.

«Doch diese Sterne sind ziemlich klein und strahlen im Vergleich zu den meisten anderen Sternen, wie etwa der Sonne, wenig Licht aus», erklärt Brice-Olivier Demory, Hauptautor der vorliegenden Studie und Professor für Astrophysik an der Universität Bern. Diese Faktoren machen es schwierig, sie im Detail zu beobachten. Ohne die richtigen Instrumente würden potenzielle Planeten, die sie umkreisen, womöglich übersehen werden – insbesondere erdähnliche Planeten, die vergleichsweise klein sind.

Ein spezielles Teleskop
Ein Instrument, mit dem Rote Zwerge und ihre Planeten genauer studiert werden können, ist das in Mexiko stationierte SAINT-EX-Teleskop, das der NFS PlanetS mitbetreibt. SAINT-EX ist eine Abkürzung, die für Search And characterIsatioN of Transiting EXoplanets steht. Das Projekt wurde zu Ehren von Antoine de Saint-Exupéry (Saint-Ex), dem berühmten Schriftsteller, Dichter und Flieger, benannt. Das SAINT-EX-Observatorium ist eine vollständig robotergestützte Einrichtung mit einem 1-Meter-Teleskop. Es ist mit Sensoren ausgestattet, welche die hochpräzise Detektion von kleinen Planeten um kühle Sterne ermöglichen.

Diese Spezialisierung zahlt sich nun aus: Anfang diesen Jahres konnte das Teleskop zwei Exoplaneten entdecken, die den Stern TOI-1266 umkreisen, der etwa 120 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Ergebnisse, die kürzlich in der Zeitschrift «Astronomy and Astrophysics» veröffentlicht wurden, vermitteln einen ersten Eindruck ihrer Eigenschaften.

Ein merkwürdiges Paar
Im Vergleich zu den Planeten in unserem Sonnensystem befinden sich TOI-1266 b und c viel näher an ihrem Stern – sie benötigen 11 respektive 19 Tage, um ihn zu umkreisen. Da dieser Stern jedoch viel kühler ist als die Sonne, sind ihre Temperaturen nicht sehr extrem: der äußere Planet hat etwa die Temperatur der Venus (obwohl er 7 Mal näher an seinem Stern ist als die Venus an der Sonne).

Die beiden Planeten sind von ähnlicher Dichte, die mit einer Zusammensetzung von einer Hälfte Gesteinsmaterial und Eisen und einer Hälfte Wasser korrespondieren könnte. Damit sind sie etwa halb so felsig wie die Erde oder die Venus, aber auch weit felsiger als Uranus oder Neptun.

In ihrer Größe unterscheiden sich die Planeten deutlich voneinander. Der innere Planet, TOI-1266 b, misst etwas weniger als das Zweieinhalbfache des Erddurchmessers. Damit fällt er in die Kategorie der sogenannten Sub-Neptune. Der äußere Planet, TOI-1266 c, ist etwas mehr als eineinhalbmal so gross wie unser Planet und zählt deshalb zu den sogenannten Super-Erden.

Damit befinden sie sich an den Enden des sogenannten Radius-Tals, wie Brice-Olivier Demory erklärt: «Planeten mit einem Radius zwischen etwa dem von TOI-1266 b und c sind ziemlich selten, wohl wegen starker Strahlung ihres jeweiligen Sterns». Yilen Gómez Maqueo Chew, SAINT-EX Projektkoordinatorin und Forscherin an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko, fügt hinzu: «Die Möglichkeit, zwei verschiedene Arten von Planeten im selben System zu untersuchen, ist eine große Chance. Sie könnte uns helfen besser zu verstehen, wie diese Planeten mit ihren unterschiedlichen Größen entstehen».

Gutes Timing und Hilfe von der Botschaft
Diese Gelegenheit zu haben, insbesondere in diesem Jahr, ist alles andere als selbstverständlich. Die Forschenden hatten das Glück, ihre Beobachtungen kurz vor dem Covid-19-bedingten Lockdown in Mexiko abschliessen zu können. Kurz nach den Beobachtungen musste die Anlage wegen der Folgen der Pandemie geschlossen werden. Dies hat sich bis heute nicht geändert.

Die Forschenden hoffen, den Betrieb von SAINT-EX in den nächsten Monaten wiederaufnehmen und den nächsten Roten Zwerg und dessen potenzielle Planeten ins Visier nehmen zu können. «Hilfreich für unsere Arbeit war zudem die Mexikanische Botschaft, die unsere Anliegen gegenüber der mexikanischen Regierung unterstützt und unser Projekt stets gefördert hat», sagt Demory.

SAINT-EX – Suche und Charakterisierung von Exoplaneten
SAINT-EX (Search and characterisation of exoplanets) ist eine internationale Zusammenarbeit, die im September 2016 in Mexiko startete. Leiter des Projekts ist Prof. Brice-Olivier Demory vom Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern und NCCR PlanetS, Koordinatorin und Leiterin des Projekts in Mexiko ist Dr. Yilen Gomez Maqueo Chew vom Instituto de Astronomía der Universidad Nacional Autonoma de Mexico (UNAM). Ebenfalls am Projekt beteiligt sind Prof. Willy Benz vom NCCR PlanetS, Prof. François Bouchy von der Universität Genf, Dr. Michaël Gillon von der Universität Lüttich in Belgien, Prof. Kevin Heng von der Universität Bern, Prof. Didier Queloz von der Universität Genf und Cambridge und Dr. Laurence Sabin, ebenfalls vom Instituto de Astronomía de Astronomía der UNAM.

SAINT-EX wurde vom Schweizerischen Nationalfonds und den Universitäten Bern, Genf, Lüttich und Cambridge sowie der UNAM finanziert. Zudem hat SAINT-EX Unterstützung erhalten vom Nationalen Rat für Wissenschaft und Technologie (CONACYT) durch die Ausschreibung der Nationalen Laboratorien für das Nationale Astronomische Observatorium von San Pedro Martir.
Projekt-Website der Universität Bern

Publikationsdetails:
Brice-Olivier Demory et al. : A super-Earth and a sub-Neptune orbiting the bright, quiet M3 dwarf TOI-1266, Astronomy & Astrophysics, Volume 642, 2. Oktober 2020.

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• Exoplaneten

Der Beitrag Zwei Planeten um einen Roten Zwerg erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, Hubble Space Telescope, Exoplanet.eu. Vertont von Peter Rittinger

Als Exoplaneten werden in der Astronomie Planeten bezeichnet, welche nicht dem Planetensystem der Sonne angehören, sondern die vielmehr fremde Sterne umkreisen. Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten am 5. Oktober 1995 gelang den Astronomen der Nachweis von bisher 1.932 Exoplaneten. Bei einem dieser Objekte handelt es sich um den Exoplaneten Gliese 436b.

Der Exoplanet Gliese 436b
Entdeckt wurde GJ 436b – so eine andere Bezeichnung für diesen Planeten – bereits im Jahr 2004 durch die US-amerikanischen Astronomen Geoffrey Marcy und Robert Paul Butler, welche hierfür die Radialgeschwindigkeitsmethode anwendeten. Nachfolgende Analysen ergaben, dass GJ 436b seinen in einer Entfernung von etwa 30 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Löwe (lat. „Leo“) befindlichen Zentralstern, den Roten Zwerg Gliese 436, in einem Abstand von lediglich etwa 4,3 Millionen Kilometern umläuft. Für eine vollständige Umrundung des Sterns benötigt der Exoplanet dabei eine Zeitspanne von zwei Tagen, 15 Stunden und 27 Minuten.

Des weiteren konnte mit dem Weltraumteleskop Spitzer im Rahmen eines Transitereignisses ermittelt werden, dass dieser Planet über einen Durchmesser von etwa 54.000 Kilometern verfügt. Seine Masse wird mit einem Wert angegeben, welcher 22 Erdmassen entspricht. Es dürfte sich bei diesem Planeten somit um einen Vertreter aus der Exoplaneten-Kategorie der „Hot Neptunes handeln.

Durch weitere Untersuchungen konnte in den vergangenen Jahren zudem ermittelt werden, dass Gliese 436b offenbar über große Mengen an Wasser verfügt, welches hoch über der Oberfläche des Planeten Wolken aus Wasserdampf bildet. Dagegen scheint in der Atmosphäre dieses Exoplaneten ein ausgeprägter Methanmangel zu herrschen (Raumfahrer.net berichtete jeweils).

Der Zentralstern des Exoplaneten Gliese 436b verfügt über 40 Prozent der Sonnenmasse und erreicht lediglich rund 2,5 Prozent der Leuchtkraft des Zentralgestirns unseres Sonnensystems. Aufgrund des geringen Abstands zu seinem Stern wird GJ 436b aber dennoch so stark aufgeheizt, dass in dessen Atmosphäre Temperaturen von mehr als 500 Grad Celsius erreicht werden.

Neue Untersuchungen
Die Tatsache, dass es sich bei Gliese 436b um einen Transitplaneten handelt, der von der Erde aus betrachtet regelmäßig vor seinem Zentralstern vorbeizieht und dabei das von dem Stern ausgehende Licht ‚abdimmt‘, erleichtert dessen weitere Untersuchung ungemein. Für eine entsprechende Untersuchung von Gliese 436b setzte ein von David Ehrenreich vom Observatoire de l’Université de Genève/Schweiz geleitetes Astronomenteam jetzt auch zum wiederholten Mal das Weltraumteleskop Hubble ein.

Für einen Vorbeizug vor seinem Stern benötigt der Exoplanet GJ 436b einen Zeitraum von etwa einer Stunde. Pünktlich zum Beginn und zum Ende dieses Transits sollten sich – so die Theorie – eigentlich scharf umrissene Veränderungen in der Helligkeit des Sterns registrieren lassen. Dies deckt sich auch mit den im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts gewonnenen Messergebnissen, wo im Zeitraum des Transits ein deutlich abgegrenzter Helligkeitsabfall von 0,7 Prozent registriert wird.

Ein kometenartiger Schweif
Allerdings stellten die Astronomen bei der Auswertung der entsprechenden Daten des Hubble Space Telescopes fest, dass im Bereich des ultravioletten Lichtspektrums bereits etwa zwei Stunden vor dem Beginn des eigentlichen Planetentransits ein deutlich erkennbares Absinken der Helligkeit des Zentralsterns zu beobachten ist. Bis zum Höhepunkt der jeweiligen Verfinsterungen sinkt die Helligkeit des Sterns dann auf einen Wert von nur noch 44 Prozent des Normalwertes ab. Und auch nach dem Ende des Transits ist die Helligkeit von GJ 436 noch für mehr als drei Stunden deutlich messbar reduziert.

Zwecks der Erklärung dieses Phänomens schlagen die an den Untersuchungen beteiligten Wissenschaftler folgenden Lösungsansatz vor: Die von Wasserstoffgas dominierte Atmosphäre des Exoplaneten Gliese 436b wird durch die Strahlung des Zentralstern so weit aufgeheizt, dass ein Teil der Planetenatmosphäre in das umgebende Weltall entweicht und dort zunächst eine ausgedehnte Gashülle ausbildet, welche das von dem Stern ausgehende ultraviolette Licht zu einem Großteil absorbiert.

Der Zentralstern verfügt jedoch über zu schwache Sternwinde, um diese aus der Planetenatmosphäre entweichenden Gase vollständig ‚wegzublasen‘. Aufgrund der Bewegung des Planeten um seinen Stern nimmt ein Teil dieser ‚Wasserstoffwolke‘ dabei die Form eines Schweifs an und ‚folgt‘ dem Planeten auf dessen Umlaufbahn um den Stern.

Dieser Schweif verfügt dabei laut der Beobachtungsdaten des Hubble Space Telescopes über eine Länge, welche etwa dem 50fachen Durchmesser des Zentralsterns entspricht. Sehr entfernt erinnert dieses Szenario an das Aussehen eines Kometen, welcher in Sonnennähe über eine Koma und einen Schweif verfügt.

Aufgrund der Ausdehnung der Gashülle und der Länge des Schweifs vermuten die Astronomen um David Ehrenreich, dass der Exoplanet pro Sekunde rund 100 bis 1.000 Tonnen Wasserstoff an seine Umgebung abgibt. Dies ist eine im Vergleich zu der Gesamtmasse von GJ 436b allerdings immer noch äußerst geringe Menge. Selbst über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren, so die an der Untersuchung beteiligten Wissenschaftler, würde dies nicht ausreichen, um die Atmosphäre des Exoplaneten signifikant auszudünnen.

„Diese Wolke aus Wasserdampf ist schon sehr spektakulär“, so David Ehrenreich. „Aber auch wenn die derzeitige Freisetzungsrate keine Gefahr für die Planetenatmosphäre darstellt, so wissen wir doch, dass der Stern in der Vergangenheit stärker aktiv war. Dies hatte zur Folge, dass die Atmosphäre des Planeten während der ersten Jahrmilliarden Jahre seines Bestehens schneller als gegenwärtig der Fall verdampft sein muss. Insgesamt schätzen wir, dass der Planet bisher lediglich etwa 10 Prozent seiner Atmosphäre verloren hat.“ Das Alter des Sternsystems Gliese 436 und des dort befindlichen Exoplaneten wird auf mindestens sechs Milliarden Jahre geschätzt.

Ähnliche Beobachtungen eines ‚kometenartigen‘ Schweifs in der Umgebung von Exoplaneten erfolgten bereits in der Vergangenheit bei weiteren vier Exoplaneten (Raumfahrer.net berichtete über die entsprechende Entdeckung bei dem Planeten HD 209458 b). Allerdings wurden diese Strukturen bisher nur in der Umgebung von Exoplaneten beobachtet, welche deutlich massereicher als der Planet Gliese 436b ausfallen. Zugleich wiesen diese bei den Planeten HD 209458b, WASP-12b, 55 Cancri b und HD 189733b nachgewiesenen Schweife deutlich geringere Ausdehnungen auf. All diese Nachweise erfolgten dabei bisher ausschließlich im Bereich des ultravioletten Spektralbereichs des Lichts.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Arbeit von David Ehrenreich et al. wurden am 25. Juni 2015 unter dem Titel „A giant comet-like cloud of hydrogen escaping the warm Neptune-mass exoplanet GJ 436b“ in der Fachzeitschrift Nature publiziert.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Geheimnisvolle Exoplaneten (1. Januar 2014)
• Ein Exoplanet mit einem Kometenschweif (19. Juli 2010)
• Methandefizit bei Gliese 436b (26. April 2010)
• Exoplanet besteht überwiegend aus Wasser (17. Mai 2007)
• Zwei weitere Exoplaneten entdeckt (31. August 2004)

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• Aktuelle Diskussion zu Exoplaneten

Verwandte Seite bei Raumfahrer.net:

• Exoplaneten Newsarchiv

Fachartikel von David Ehrenreich et al.:

• A giant comet-like cloud of hydrogen escaping the warm Neptune-mass exoplanet GJ 436b (Publikation in Nature, engl.)

Der Beitrag Ein Kometenschweif bei dem Exoplaneten Gliese 436b erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Universität Göttingen, Royal Astronomical Society.

Der im Sternbild Maler (lat. Name „Pictor“) gelegene Stern „Kapteyns Stern“ wurde im Rahmen einer fotografischen Himmelsdurchmusterung im Jahr 1897 von dem niederländischen Astronomen Jacobus C. Kapteyn von Südafrika aus entdeckt. In der Folgezeit fiel der Stern den Astronomen besonders durch seine hohe Eigengeschwindigkeit auf, mit der er sich über den Himmel bewegt – nach Barnards Pfeilstern weist er die zweithöchste Eigenbewegung eines Sterns am Firmament auf. Mit einer Helligkeit von 8,86 mag kann Kapteyns Stern bereits mit kleineren Teleskopen beobachtet werden. Aufgrund seiner Position am Südhimmel ist hierfür allerdings ein Beobachtungsstandort erforderlich, welcher sich südlich des 45. nördlichen Breitengrades befindet.

Kapteyns Stern
Mit einer Entfernung von lediglich rund 12,76 Lichtjahren zählt Kapteyns Stern zu den 25 Sternen, welche sich am nächsten zu unserem Sonnensystem befinden. Der Roten Zwergstern besitzt etwa 28 Prozent der Masse der Sonne und verfügt über rund ein Drittel des Sonnendurchmessers. Sein Alter wird von den Astronomen auf etwa 11,5 Milliarden Jahre geschätzt. Die spektrale Analyse seiner chemischen Zusammensetzung sowie die Untersuchung seiner Bewegungsrichtung relativ zur Ebene der Milchstraße deuten darauf hin, dass Kapteyns Stern nicht in unserer Heimatgalaxie entstanden ist. Vielmehr stammt dieser Stern sehr wahrscheinlich aus dem Halo unserer Galaxie.

Ursprünglich, so die Astronomen, war Kapteyns Stern das Mitglied einer Zwerggalaxie, welche bereits vor mehreren Milliarden Jahren von dem Milchstraßensystem ‚eingefangen‘ wurde. Die dabei auf die Sterne der eingefangenen Zwerggalaxie einwirkenden gravitativen Einflüsse führten dazu, dass diese zu einem mehrere 10.000 Lichtjahre langen Sternstrom auseinander gezogen wurden. Hierbei handelt es sich um eine Ansammluing von Sternen, welche über eine verwandte chemische Zusammensetzung und ein ähnliches Alter verfügen und die das Zentrum unserer Galaxie auf einer langgestreckten elliptischen Bahn umkreisen. Als ein möglicher Überrest der ursprünglichen ‚Heimat‘ von Kapteyns Stern wurde der Kugelsternhaufen Omega Centauri identifiziert.

Die Radialgeschwindigkeitsmethode zum Nachweis von Exoplaneten
Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung von Dr. Guillem Anglada-Escudé von der School of Physics and Astronomy der University of London hat Kapteyns Stern jetzt etwas näher ‚unter die Lupe genommen‘ und dabei unter der Verwendung der Radialgeschwindigkeitsmethode nach eventuellen planetaren Begleitern Ausschau gehalten. Bei diesem Verfahren zum Nachweis von Exoplaneten wird ein Stern zunächst über einen längeren Zeitraum hinweg abgebildet.

Wird der beobachtete Stern von Planeten umkreist, so üben diese durch ihre Masse einen gravitativen Effekt auf ihren Zentralstern aus, was dazu führt, dass sich der Stern und dessen Planet(en) in periodischen Zeitabläufen um ihren gemeinsamen Masseschwerpunkt bewegen. Die dadurch verursachte ‚Taumelbewegung‘ des Sterns führt zu einem Doppler-Effekt, der sich in einer minimalen Verschiebung der Spektrallinien – der ‚Rotverschiebung‘ beziehungsweise der ‚Blauverschiebung‘ – bemerkbar macht. Bewegt sich ein Stern dabei ‚auf die Erde zu‘, so verschieben sich dessen Spektrallinien minimal zu kürzeren Wellenlängen und werden dabei ‚blauer‘. Bewegt sich der Stern dagegen von uns fort, so werden diese Wellenlängen länger und somit ‚rötlicher‘. Durch diese Methode ist es den Astronomen nicht nur möglich, einen Exoplaneten nachzuweisen, sondern auch die Untergrenze für die Masse dieses Planeten und dessen Umlaufzeit um seinen Stern zu bestimmen.

Für die Untersuchung von Kapteyns Stern nutzte das Team, dem auch Wissenschaftler von der Universität Göttingen angehörten, Daten, welche mit dem HARPS-Spektrometer der Europäischen Südsternwarte (ESO) in den chilenischen Anden, dem ebenfalls in Chile befindlichen Las Campanas-Observatorium und dem 10-Meter-Teleskop des Keck-Observatoriums auf Hawaii gewonnen wurden.

Zwei Exoplaneten
Bei der Analyse der Daten stellte sich heraus, dass Kapteyns Stern von zwei Exoplaneten umkreist wird. Bisher sind von diesen beiden Planeten allerdings lediglich deren ungefähren Massen, die Umlaufperioden und der jeweilige Abstand zu dem Zentralstern bekannt. Aus diesen Daten ergibt sich, dass sich einer der Planeten innerhalb der habitablen Zone von Kapteyns Stern bewegt. „Kapteyn b“, so die Bezeichnung dieses Planeten, könnte somit theoretisch die Umweltbedingungen aufweisen, welche das dauerhafte Vorhandensein von Wasser im flüssigen Aggregatzustand ermöglichen. Das Vorhandensein von Wasser, so die allgemein anerkannte Meinung, ist wiederrum eine der Grundvoraussetzungen dafür, dass sich auf einem Planeten Leben bilden kann.

„Der erste Planet des Sterns, Kapteyn b, hat eine Umlaufperiode von 48 Tagen und könnte über flüssiges Wasser verfügen“, so Prof. Dr. Ansgar Reiners vom Institut für Astrophysik der Universität Göttingen, einer der an der Analyse der Daten beteiligten Wissenschaftler. Allerdings verfügt Kapteyn b über mindestens die rund fünffache Masse der Erde. Somit dürfte es sich bei diesem Planeten sehr wahrscheinlich um einen Vertreter der Klasse der Super-Erden handeln. Aufgrund seiner hohen Masse kann wohl ausgeschlossen werden, dass es sich bei diesem Planeten um eine ‚zweite Erde‘ handelt.

Auch der zweite Planet von Kapteyns Stern, der Exoplanet Kapteyn c, verfügt nicht über Umweltbedingungen, welche sich mit denen auf unserem Heimatplaneten vergleichen lassen. Kapteyn c ist nochmals massereicher als sein innerer Nachbar – mindestens rund sieben Erdmassen – und er benötigt für einen kompletten Umlauf um seinen Zentralstern eine Zeitspanne von 121 Tagen. Aufgrund der dadurch gegebenen Distanz von etwa 47 Millionen Kilometern zu seinem Stern herrschen auf den Oberfläche des Planeten vermutlich Temperaturen, welche zu niedrig sind, um das Vorhandensein von flüssigem Wasser zu ermöglichen. Trotzdem, so Prof. Dr. Ansgar Reiners, soll im Rahmen zukünftiger Forschungen untersucht werden, ob es auf den Oberflächen dieser beiden Planeten Wasser gibt.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden kürzlich unter dem Titel „Two planets around Kapteyn’s star: a cold and a temperate super-Earth orbiting the nearest halo red-dwarf“ in der Fachzeitschrift ‚Monthly Notices of the Royal Astronomical Society‘ publiziert.

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Der Beitrag Zwei Exoplaneten bei Kapteyns Stern entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Gemini-Observatorium, Keck-Observatorium.

Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 konnten Astronomen bis zum heutigen Tag 1.792 Planeten nachweisen, welche ihre Zentralsterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen. Während der letzten Jahre sorgte dabei speziell das auf die Exoplanetensuche spezialisierte Weltraumteleskop Kepler für Schlagzeilen.

Nach seinem Start am 7. März 2009 hat Kepler über einen Zeitraum von vier Jahren im Bereich der Sternbilder Schwan und Leier systematisch mehr als 150.000 Sterne anvisiert und nach Anzeichen für dort befindliche Planeten Ausschau gehalten. Bis zum heutigen Tag konnten die an dieser Mission beteiligten Wissenschaftler definitiv 962 Exoplaneten nachweisen. Mehrere Hundert weitere ‚Planeten-Kandidaten‘ warten noch auf eine Bestätigung durch nachfolgende Beobachtungen, welche von anderen Weltraumteleskopen oder von Observatorien auf der Erde durchgeführt werden müssen.

Aber nicht nur die Kepler-Wissenschaftler, sondern auch andere Astronomen waren in den letzten Monaten und Jahren im Bereich der Exoplaneten-Suche aktiv. So hat zum Beispiel ein von Marie-Ève Naud von der Universität Montreal in Kanada geleitetes internationales Team von Astronomen neben weiteren Großteleskopen das in den chilenischen Anden befindliche Acht-Meter-Teleskop des Gemini South-Observatoriums dazu eingesetzt, um gezielt junge und zugleich massearme Sterne in der näheren Umgebung unseres heimatlichen Sonnensystems zu untersuchen und dabei nach Anzeichen für dort befindliche Exoplaneten zu suchen.

Bei einem der dabei anvisierten Beobachtungsziele handelte es sich um den im Sternbild Fische (lat. Name „Pisces“) gelegenen Roten Zwergstern GU Pisces. Dieser Stern verfügt in etwa über 33 Prozent der Masse unserer Sonne, gehört zu der Spektralklasse M3 und befindet sich in einer Entfernung von rund 155 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem.

GU Pisces ist einer von etwa 30 Sternen, die dem AB-Doradus-Bewegungshaufen angehören. Hierbei handelt es sich um eine Ansammlung von Sternen, welche in etwa über das gleiche Alter verfügen und deren Mitglieder sich mit ähnlichen Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen durch unsere Heimatgalaxie bewegen. Das aus spektroskopischen Untersuchungen abgeleiteten Alter dieser Sterne liegt bei geschätzten 50 bis 119 Millionen Jahren.

Bei der im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich erfolgten Beobachtung von GU Pisces suchten die Astronomen gezielt nach einem möglichen planetaren Begleiter des Sterns, da dieser wegen seines ‚jugendlichen Alters‘ noch relativ heiß sein dürfte und somit vergleichsweise viel Wärme in das umgebende Weltall abstrahlen sollte. Somit leuchten derartig ‚junge‘ Planeten im infraroten Spektralbereich verhältnismäßig hell, lassen sich dadurch bedingt leichter entdecken und gegebenenfalls sogar direkt abbilden. Und tatsächlich wurden die Wissenschaftler fündig.

Auf den im Rahmen der Untersuchungen erstellten Aufnahmen wurde ein Exoplanet entdeckt, der seinen Zentralstern in einer Entfernung von etwa 2.000 Astronomischen Einheiten (eine Astronomische Einheit – kurz AE – beschreibt den mittleren Abstand zwischen der Erde und der Sonne und beträgt rund 150 Millionen Kilometer) umkreist. Für einen kompletten Umlauf um seinen Stern benötigt der Exoplanet GU Psc b – so die offizielle Bezeichnung des Planeten – somit eine Zeitdauer von rund 80.000 Jahren. Dank dieses großen Abstandes zwischen Zentralstern und Planet, welcher rund 42 Bogensekunden beträgt, war es nicht nur möglich den Planeten direkt abzubilden. Vielmehr konnten die beteiligten Astronomen auch verschiedene Eigenschaften von GU Psc b entschlüsseln.

Ausgehend von spektroskopischen Untersuchungen leiten die Wissenschaftler ab, dass es sich bei dem Exoplaneten um einen Gasriesen handelt, welcher über die neun bis maximal dreizehnfache Masse des Planeten Jupiter verfügt. Aufgrund dieses Massewertes kann ausgeschlossen werden, dass GU Psc b zur Klasse der Braunen Zwerge gehört – einer Kategorie von Himmelskörpern, welche eine Sonderstellung zwischen einem Planeten und einem Stern einnimmt. Auf der ‚Oberfläche‘ des Gasplaneten dürften Temperaturen von rund 800 Grad Celsius herrschen.

Die Astronomen beabsichtigen, den Exoplaneten in Zukunft noch weiteren und eingehenderen Untersuchungen zu unterziehen. Aufgrund des großen Abstandes zu seinem verhältnismäßig leuchtschwachen Zentralgestirn lassen sich relativ einfach hochaufgelöste Daten gewinnen, welche weitere Aufschlüsse über die Zusammensetzung und die physikalischen und chemischen Eigenschaften von GU Psc b liefern werden. In den kommenden Jahren, so die Erwartungen der Astronomen, werden dann aufgrund neuer Beobachtungsinstrumente noch weitere Exoplaneten in die Kategorie der „direkt abzubildenden Exoplaneten“ aufsteigen.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden kürzlich von Marie-Ève Naud et al. unter dem Titel „DISCOVERY OF A WIDE PLANETARY-MASS COMPANION TO THE YOUNG M3 STAR GU PSC“ in der Fachzeitschrift ‚The Astrophysical Journal‘ publiziert.

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Der Beitrag Exoplanet GU Psc b durch direkte Abbildung entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Science.

Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 konnten Astronomen bis zum heutigen Tag außerhalb unseres Sonnensystems 1.783 Planeten nachweisen. Der Wunsch eines jeden „Exoplanetenjägers“ ist es vermutlich, bei seiner Suche eine „zweiten Erde“ zu entdecken – also einen außerhalb unseres Sonnensystems gelegenen Planeten, welcher theoretisch über die Umweltbedingungen verfügt, um dort die Entstehung und Weiterentwicklung von außerirdischen Lebensformen zu ermöglichen.

Hierbei, so eine der Minimalanforderungen, müsste es sich um einen terrestrischen Planeten handeln, der in etwa über die Größe und Masse der Erde verfügt und dessen Orbit innerhalb der habitablen Zone seines Sterns verläuft. Nur in diesem Bereich eines Sternsystems können auf der Oberfläche eines Gesteinsplaneten Bedingungen vorherrschen, welche das dauerhafte Vorhandensein von Wasser im flüssigen Aggregatzustand ermöglichen. Und nur unter dieser Voraussetzung, so die gegenwärtig allgemein anerkannte Meinung, besteht die theoretische Möglichkeit, dass sich dort auch „Leben“ bilden und entwickeln kann.

Zwar gelang den Astronomen in den vergangenen Jahren die Entdeckung von Dutzenden von Exoplaneten, welche ihre jeweiligen Zentralsterne in deren habitablen Zonen umkreisen. Diese Planeten verfügen jedoch durchweg über Durchmesser, welche um mindestens 40 Prozent über dem Durchmesser der Erde liegen. Die mehr als 100 bisher entdeckten Planeten, welche in etwa über die gleiche Größe wie unser Heimatplanet verfügen, umkreisen ihre Sterne dagegen außerhalb der lebensfreundlichen Zonen. Jetzt sind die Astronomen der Entdeckung einer zweiten Erde jedoch einen deutlichen Schritt näher gekommen.

Das Sternsystem Kepler 186
Nach seinem Start am 7. März 2009 hat das auf die Exoplanetensuche spezialisierte Weltraumteleskop Kepler über einen Zeitraum von vier Jahren im Bereich der Sternbilder Schwan und Leier systematisch über 150.000 Sterne anvisiert und nach Anzeichen für dort befindliche Planeten Ausschau gehalten. Bei der Auswertung der in den beiden ersten Missionsjahren gesammelten Daten entdeckten die beteiligten Wissenschaftler vier Planeten, welche einen etwa 500 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt gelegenen Zwergstern umkreisen.

Der im Sternbild Schwan gelegene und mit dem Namen „Kepler 186“ belegte „Rote Zwergstern“ verfügt über lediglich rund 48 Prozent der Masse unserer Sonne und gibt somit deutlich weniger Strahlung als das Zentralgestirn unseres Sonnensystems in das umgebende Weltall ab. Aus diesem Grund verfügt die dortige lebensfreundliche Zone über eine geringere Ausdehnung und befindet sich zudem näher an dem Stern als in unserem Sonnensystem.

Die vier zuerst in diesem Sternsystem entdeckten Planeten, welche die Bezeichnungen Kepler 186b bis e erhielten, verfügen über Durchmesser, welche um weniger als 50 Prozent über dem Durchmesser der Erde liegen. Für einen vollständigen Umlauf um ihren Stern benötigen diese Planeten vier, sieben, 13 beziehungsweise 22 Tage. Selbst der äußerste der vier Planeten – Kepler 186e – befindet sich mit einer Entfernung von 0,129 Astronomischen Einheiten noch zu nahe an seinem Stern, als das auf seiner Oberfläche flüssiges Wasser vorhanden sein könnte. Mit einer „Astronomischen Einheit“ bezeichnen Astronomen die mittlere Distanz zwischen der Erde und der Sonne. Dieser Wert beträgt rund 149,6 Millionen Kilometer.

Kepler 186f – Ein ‚Cousin‘ der Erde
Bei der weiteren Auswertung der Kepler-Daten, welche jetzt auch das dritte Beobachtungsjahr enthielten, entdeckte ein von Elisa V. Quintana vom SETI Institute am Ames Research Center der NASA in Moffet Field/Kalifornien geleitetes Wissenschaftlerteam einen fünften Planeten, der den Stern Kepler 186 umkreist. Laut den Wissenschaftlern verfügt dieser mit dem Namen Kepler 186f belegte Planet, der seinen Stern in einer Entfernung von 0,356 Astronomischen Einheiten – dies entspricht rund 52,4 Millionen Kilometern – umrundet, in etwa über den lediglich 1,1-fachen Erddurchmesser. Für einen vollständigen Umlauf benötigt der Exoplanet eine Zeitspanne von 130 Tagen. In dieser Entfernung empfängt der Planet von seinem Stern lediglich noch 32 Prozent der Energiemenge, welche die Erde von der Sonne erhält.
Trotzdem befindet sich der Planet Kepler 186f, dessen Existenz inzwischen durch nachfolgende Beobachtungen mit den Teleskopen des W. M. Keck Observatory und des Gemini Observatory bestätigt werden konnte, immer noch innerhalb der habitablen Zone seines Stern, welche sich in diesem Sternsystem über einen Bereich von etwa 0,22 bis 0,4 Astronomischen Einheiten erstreckt. Dies, so die Wissenschaftler der NASA, muss allerdings keinesfalls bedeuten, dass sich auf dem Planeten auch Leben entwickelt haben könnte.

„Dass sich ein Planet in der habitablen Zone befindet, bedeutet nicht automatisch, dass auf ihm auch lebensfreundliche Bedingungen vorherrschen“, so Thomas Barclay vom Bay Area Environmental Research Institute des Ames Research Center der NASA. „Die Temperatur auf der Oberfläche eines Planeten hängt stark davon ab, wie sich seine Atmosphäre zusammensetzt.“

Somit weist der neu entdeckte Planet zwar zumindestens theoretisch die Grundvoraussetzungen auf, um ihn als potentiell lebensfreundlich zu bezeichnen. Ob sich dort jedoch auch flüssiges Wasser befindet, lässt sich mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Untersuchungsmethoden nicht feststellen. Neben der Analyse des Spektrums der Atmosphäre müsste hierfür unter anderem auch die Masse des Planeten bekannt sein, was derzeit nicht der Fall ist. Allerdings deuten bisherige Studien darauf hin, dass es sich bei erdgroßen Planeten aller Wahrscheinlichkeit nach generell um Gesteinsplaneten handelt.

Bei dem neu entdeckten Exoplaneten Kepler 186f handelt es sich sehr wahrscheinlich nicht um die gesuchte „zweite Erde“. Aufgrund der geringen Energiemenge, welche der Planet von seinem Stern erhält, müsste die Atmosphäre zum Beispiel hohe Mengen an Kohlendioxid beherbergen, so dass ein Treibhauseffekt das Gefrieren von eventuell vorhandenem Wasser verhindert. Als ein ‚Cousin‘ der Erde kann der Planet wohl jedoch auf jeden Fall angesehen werden.

„Wir kennen bislang nur einen einzigen Planeten, auf dem Leben existiert – unsere Erde. Wenn wir außerhalb unseres Sonnensystems nach Leben suchen, dann konzentrieren wir uns bei dieser Suche auf Planeten, die der Erde so ähnlich wie nur irgend möglich sind“, so Elisa V. Quintana. „Die Entdeckung eines erdgroßen Planeten in einer habitablen Zone ist dabei ein wichtiger Schritt in diese Richtung.“

„Die Entdeckung des Planeten Kepler-186f ist ein bedeutender Schritt auf dem Weg zu der Entdeckung von Welten, die unserer Erde gleichen“, unterstreicht Paul Hertz, der Leiter der Abteilung für Astrophysik der NASA, die Bedeutung dieser Entdeckung und wagt dabei zugleich einen Blick in die Zukunft: „Künftige NASA-Missionen wie der Transiting Exoplanet Survey Satellite oder das James Webb Space Telescope werden die uns am nächsten gelegenen extrasolaren Gesteinsplaneten entdecken und zudem in der Lage sein, Informationen über deren Zusammensetzung und die jeweiligen Atmosphären zu sammeln und so die Suche nach einer wirklichen ‚zweiten Erde‘ weiter fortsetzen.“

Rote Zwerge – vielversprechende Kandidaten für die Suche nach einer „Zweiten Erde“
Die Suche nach bewohnbaren Planeten in der Umgebung von Roten Zwergsternen mittels der „Transitmethode“ – mit dieser Methode arbeitete auch das Kepler-Teleskop – gilt dabei als besonders vielversprechend, denn bei etwa 70 Prozent aller in unserer Heimatgalaxie beheimateten Sterne handelt es sich um Rote Zwerge. Da diese Sterne über eine nur sehr geringere Leuchtkraft verfügen, befinden sich die dort gelegenen habitablen Zonen zudem in einem relativ geringen Abstand zu dem Stern. Ein in diesem Bereich kreisender Planet verfügt somit über eine relativ kurze Umlaufzeit, so dass die von der Erde aus zu beobachtenden Planetentransits verhältnismäßig häufig stattfinden. Außerdem deckt ein dicht um seinen Stern umlaufender Planet während eines erfolgenden Transits einen vergleichsweise großen Bereich des Zentralstern ab, so dass sich ein Helligkeitsrückgang in der Transit-Lichtkurve deutlich abzeichnet.

„Rote Zwerge sind die am häufigsten in unserer Galaxie vorkommenden Sterne“, so Elisa V. Quintana. „Die ersten Spuren von Leben in der Galaxie könnten sich also durchaus auf Planeten entwickelt haben, die um Rote Zwerge kreisen.“

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 17. April 2014 von Elisa V. Quintana et al. unter dem Titel „An Earth-Sized Planet in the Habitable Zone of a Cool Star“ in der Fachzeitschrift ‚Science‘ publiziert.

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• An Earth-Sized Planet in the Habitable Zone of a Cool Star (Abstract, engl.)

Der Beitrag Erdgroßer Planet in lebensfreundlicher Zone entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, ESO.

Bei den „Braunen Zwergen“ handelt es sich um kosmische Objekte, welche eine Lücke zwischen den großen Gasplaneten wie zum Beispiel Jupiter und Saturn und lichtschwachen und zugleich relativ kühlen Sternen, den sogenannten „Roten Zwergen“, ausfüllen. Als Braune Zwerge werden alle Objekte eingestuft, deren Masse zwischen dem 13fachen und dem 75fachen der Masse des Planeten Jupiters liegt. Erst ab dieser Mindestmasse finden sich im Inneren eines kosmischen Objektes Druck- und Temperaturbedingungen, welche das Einsetzen einer Wasserstofffusion und somit die Entstehung eines Sterns ermöglichen.

Braune Zwerge verfügen somit nicht über genügend Masse, um in ihrem Zentralbereich die Kernfusion zu zünden und leuchten nur schwach im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Der erste Braune Zwerg, dessen Fund zweifelsfrei bestätigt werden konnte, wurde erst vor zwanzig Jahren entdeckt. Bislang sind den Astronomen lediglich einige Hundert dieser schwer fassbaren und entsprechend wenig untersuchten Objekte bekannt.

Die beiden Braunen Zwerge, welche unserem Sonnensystem am nächsten liegen, bilden ein Paar namens Luhman 16AB, das lediglich knapp 6,5 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Vela (zu deutsch „Segel“) zu finden ist. Dieses Paar ist nach dem Mehrfachsternsystem Alpha Centauri und „Barnards Pfeilstern“ das drittnächste „Stern“-System zur Erde, wurde aber trotzdem erst Anfang des Jahres 2013 entdeckt (Raumfahrer.net berichtete).

Entdeckt wurden die beiden Objekte von dem US-amerikanischen Astronomen Kevin Luhman auf Aufnahmen des Infrarot-Weltraumteleskops WISE, was auch den offiziellen Namen „WISE J104915.57-531906.1“ erklärt. Zur Vereinfachung wird mittlerweile jedoch ein eingängigerer Name verwendet. Da Kevin Luhman zuvor bereits 15 andere Doppelsternsysteme entdeckt hatte, einigten sich die Astronomen auf den Namen „Luhman 16“. Den Konventionen zur Benennung von Doppelsternsystemen folgend wird der hellere Braune Zwerg dieses Doppelsystems Luhman 16A und der lichtschwächere Luhman 16B genannt. In seiner Gesamtheit wird das Paar als „Luhman 16AB“ bezeichnet.

Untersuchungen mit dem Very Large Telescope der ESO
Es war bereits bekannt, dass der lichtschwächere dieser beiden Braunen Zwerge während seiner Rotation alle paar Stunden seine Helligkeit verändert. Dies wurde als ein Hinweis darauf interpretiert, dass Luhman 16B eventuell deutliche Oberflächenstrukturen aufweist. Jetzt hat ein internationales Astronomenteam das in den chilenischen Anden befindliche Very Large Telescope (kurz „VLT“) der Europäischen Südsternwarte (ESO) für weiterführende Studien genutzt. Dabei konnten sie nicht nur den Braunen Zwerg abbilden, sondern zudem auch die verschiedenen hellen und dunklen Bereiche genau kartieren.

Durch die Kombination dieser Daten konnten die Astronomen erstmals eine Oberflächenkarte eines Braunen Zwergs erstellen und Messungen durchführen, welche die Atmosphäreneigenschaften in unterschiedlichen Höhenlagen erfassen. Die Ergebnisse, so die beteiligten Wissenschaftler, läuten eine neue Ära in der Erforschung der Braunen Zwerge ein, in der Astronomen ihre theoretischen Modelle für die Wolkenbildung auf diesen Gebilden – und später auch auf extrasolaren Gasplaneten – anhand von direkten Beobachtungen überprüfen können. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden kürzlich in zwei Artikeln in den Fachzeitschriften „Nature“ und „Astrophysical Journal Letters“ publiziert.

Die erste der beiden Studien, welche unter der Leitung von Ian Crossfield vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) durchgeführt wurde, präsentiert eine Oberflächenkarte von Luhman 16B. Hierfür nutzten die Astronomen im Mai 2013 das Instrument CRIRES (kurz für „Cryogenic high-resolution InfraRed Echelle Spectrograph“) – einem Spektrografen zur Aufnahme von hochaufgelösten Spektren im Wellenlängenbereich von einem bis fünf Mikrometern. Anhand der so gewonnenen Daten konnten die Wissenschaftler nicht nur die Helligkeitsänderungen während der Rotation von Luhman 16B erkennen, sondern auch die Bewegungsrichtung der hellen und dunklen Strukturen – zu dem Instrument hin oder von diesem weg – bestimmen.

Mit der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Technik ist es unmöglich, Oberflächenkarten dieses Braunen Zwergs in der gleichen Weise zu erstellen, wie Astronomen zum Beispiel die Wolkenbänder des Jupiter kartieren würden – also mithilfe räumlich aufgelöster Bilder, auf denen sich die Details der Oberfläche unterscheiden lassen. Stattdessen kam eine indirekte Methode zum Einsatz. Das verwendete Verfahren wird – dem englischen Sprachgebrauch folgend – als „Doppler Imaging“ bezeichnet. Die Methode nutzt aus, dass die Frequenzen des Lichts eines Sterns in ganz bestimmter Weise verschoben werden, während dieser rotiert. Aus diesen systematischen Verschiebungen lässt sich eine ungefähre Karte der Sternoberfläche rekonstruieren.

Um ein ungefähres Verständnis dafür zu bekommen, wie dieses Verfahren funktioniert, stellen Sie sich bitte vor, dass Sie sich hoch über dem Äquator der Erde befinden und beobachten, wie die Erdoberfläche langsam unter Ihnen hinweg rotiert. Sobald eine spezielle Struktur, welche sich über dem Äquator befindet, gerade in Sicht kommt – also gerade erst über dem Horizont auftaucht – bewegt diese sich zunächst relativ schnell auf Sie zu. Sobald die Formation direkt unter Ihnen vorbeiläuft, ändert sich deren Abstand zu Ihnen zunächst nur noch unwesentlich. Rotiert das Objekt jedoch über den gegenüberliegenden Horizont wieder außer Sicht, dann ändert sich dessen Abstand zu Ihnen wieder deutlich schneller. Ein Objekt, welches sich in höheren nördlichen oder südlichen Breiten befindet, folgt dem gleichen Bewegungsmuster – nur, dass die Bewegungen auf den Beobachter zu oder von ihm weg nicht so ausgeprägt ausfallen wie für ein Objekt am Äquator. Für ein Objekt an einem der Pole bewirkt die Erdrotation dagegen keinerlei Abstandsänderungen relativ zum Beobachter.

Stellen Sie sich die gleiche Situation jetzt für den untersuchten Braunen Zwerg vor. Wenn ein hellerer Fleck auf der Oberfläche des Braunen Zwergs in Sicht rotiert, wird die Art und Weise, inwieweit sich dieser Fleck direkt auf Sie zu oder von Ihnen weg bewegt, davon abhängen, wo diese Struktur in Bezug auf den Äquator platziert ist und wie die Rotationsachse des Braunen Zwergs relativ zu dem Beobachter orientiert ist.

Im Fall von Luhman 16B konnten die Astronomen die Bewegung der Flecken zwar nicht direkt verfolgen, da sie nicht über ausreichend hoch aufgelöste Bilder verfügen. Aber die Bewegung in Richtung Beobachter oder von ihm weg lässt sich indirekt über den Dopplereffekt nachweisen. Wie der Schall so verändert auch das Licht seine Wellenlänge in systematischer Art und Weise, wenn sich die Lichtquelle auf den Beobachter zu oder aber von ihm weg bewegt. Das Ausmaß dieser Veränderung hängt davon ab, wie schnell und in welche Richtung die Bewegung erfolgt.

Für hellere Flecken auf der Oberfläche eines rotierenden Sterns ergibt sich auf diese Weise ein Muster von miteinander überlagerten Wellenlängenverschiebungen für das empfangene Licht. Die Details dieses Musters hängen von der Position der Flecken auf der Oberfläche ab, und deswegen lassen sich umgekehrt aus den Details des Musters Rückschlüsse darauf ziehen, wo auf der Oberfläche sich hellere Flecken befinden und auch darauf, wie hell diese ausfallen. Die Rekonstruktion der Oberfläche ist dabei nicht ganz eindeutig und mit einiger Unsicherheit behaftet. Die hier gezeigten Karten zeigen die Oberflächenstruktur, welche den beteiligten Wissenschaftlern als die wahrscheinlichste erscheint.

Ian Crossfield erklärt hierzu: „Frühere Beobachtungen haben bereits Hinweise darauf ergeben, dass Braune Zwerge eine gefleckte Oberfläche besitzen sollten. Jetzt können wir solch eine Oberfläche direkt kartieren. Bei dem, was wir sehen, dürfte es sich um eine unregelmäßige Wolkendecke handeln, nicht unähnlich der Oberfläche des Planeten Jupiter.“ Die Karten, welche Crossfield und seine Kollegen erstellt haben, sind so etwas wie die groben Versionen von Wetterkarten, wie wir sie von Satellitenaufnahmen unseres Heimatplaneten kennen.

„In Zukunft sollten wir dabei zusehen können, wie auf Luhman 16B Wolken neu entstehen, wie sie sich entwickeln und wieder verschwinden. Vielleicht sind wir dann irgendwann an einem Punkt angelangt, wo Exo-Meteorologen vorhersagen können, wann ein Besucher auf Luhman 16B klaren oder bewölkten Himmel erwarten könnte“, so Ian Crossfield weiter. Für menschliche Bedürfnisse dürfte die Wettervorhersage für Luhman 16B allerdings zu allen Zeiten „äußerst unangenehmes Wetter“ lauten, denn bei Temperaturen von mehr als 1.000 Grad Celsius handelt es sich bei diesen Wolken um Strukturen, welche aus winzigen Tröpfchen flüssigen Eisens und verschiedenen Mineralen bestehen, die in einer Wasserstoff-Atmosphäre schweben.

Die zweite Studie, welche von Beth A. Biller geleitet wurde (jetzt an der Universität Edinburgh tätig, während dieser Forschungen ebenfalls noch am MPIA beschäftigt), geht im wörtlichen Sinne weiter in die Tiefe. Wenn hellere und dunklere Wolken ins Blickfeld rotieren und anschließend wieder außer Sicht geraten, dann ändert sich auch die Gesamthelligkeit des Braunen Zwergs. Durch gleichzeitige Beobachtung der Helligkeitsveränderungen bei unterschiedlichen Wellenlängen konnten Beth Biller und ihre Kollegen rekonstruieren, was in unterschiedlichen Atmosphärenschichten sowohl von Luhman 16A als auch von Luhman 16B vor sich geht. Die entsprechenden Helligkeitsmessungen wurden im April 2013 mit der astronomischen Kamera GROND am 2,2-Meter-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO durchgeführt. GROND kann Aufnahmen einer Himmelsregion in sieben verschiedenen Wellenlängenbereichen simultan anfertigen.

Wieviel Licht ein Gas in diesen Wellenlängenbereichen jeweils aussendet, steht in einem direkten Zusammenhang mit der Temperatur dieses Gases, welche sich in unterschiedlichen Höhen in verschiedenen Atmosphärenschichten unterschiedlicher Temperatur in der Atmosphäre des Braunen Zwergs verändert. Beth Biller sagt zu der Bedeutung der gewonnenen Ergebnisse: „Unsere Daten zeigen, dass das Wettergeschehen auf diesen Braunen Zwergen durchaus komplex ist. Die Wolkenstruktur variiert, je nachdem wie tief man in die Atmosphäre blickt – wir haben es definitiv mit mehr als einer einzigen Wolkenschicht zu tun.“

In den Daten lassen sich unterschiedliche Wolkenregionen auseinanderhalten. Die Analyse der Helligkeitsvariationen zeigt, dass der Braune Zwerg über mehr als nur eine Atmosphärenschicht verfügen muss, welche zudem Wolken beherbergen und lokale Temperaturunterschiede aufweisen. Dies ist das erste Mal, dass solche komplexen Wetterverhältnisse auf einem Braunen Zwerg in dieser Weise nachgewiesen werden konnten. Jetzt sind zunächst wieder die Theoretiker am Zug, welche bessere und detailreichere Modelle für die Atmosphärenstruktur von Braunen Zwergen liefern müssen. Dies wird dann im Zusammenspiel mit zukünftigen Beobachtungsdaten dazu führen, dass die Astronomen die Braunen Zwerge deutlich besser verstehen werden als bisher möglich.

Bedeutung für die Exoplaneten-Forschung
Die Atmosphären von Braunen Zwergen weisen starke Ähnlichkeiten mit den Atmosphären heißer Gasriesen, den sogenannten „Hot Jupiters“, auf. Solche „Heiße Jupiter“ befinden sich allerdings sehr nah an ihren Muttersternen, welche wiederrum sehr viel heller sind als die sie umkreisenden Exoplaneten. Aus diesem Grund ist es nahezu unmöglich, das schwache Licht der dort befindlichen Planeten zu beobachten, welches durch das von dem Zentralstern ausgehende Licht überstrahlt wird. Im Fall von Braunen Zwergen gibt es jedoch keine Lichtquellen, welche das schwache Glühen dieser Objekte überstrahlen könnten, so dass man hier viel genauere Messungen durchführen kann. Durch Untersuchungen von relativ einfach zu beobachtenden Braunen Zwergen können Astronomen also zugleich mehr über die Atmosphären von jungen Gasriesen lernen.

Die Messungen sind allerdings noch in einem allgemeineren Zusammenhang von Interesse. Der Wunsch eines jeden „Exoplanetenjägers“ ist es vermutlich, bei seiner Suche eine „zweiten Erde“ zu entdecken – also einen außerhalb unseres Sonnensystems gelegenen Planeten, welcher theoretisch über die Umweltbedingungen verfügen könnte, welche die Entstehung und Weiterentwicklung von außerirdischen Lebensformen ermöglichen. Hierbei, so die Minimalanforderungen, müsste es sich um einen terrestrischen Planeten handeln, welcher seinen Zentralstern im Bereich von dessen habitablen Zone umläuft und der somit theoretisch Bedingungen aufweist, welche das dauerhafte Vorhandensein von Wasser im flüssigen Aggregatzustand ermöglichen.

Aber auch andere Faktoren, wie zum Beispiel die Atmosphärenzusammensetzung, die Temperatur, die Wetterverhältnisse oder die Eigenschaften der Oberfläche müssen dabei „stimmen“. Es gibt zwar einige Ansätze dafür, wie sich die entsprechenden Eigenschaften von kleinen, kühlen, erdähnlichen Planeten um andere Sterne modellieren lassen. Aber die Beobachtungen, anhand derer solche Modelle getestet und die so vermuteten Eigenschaften direkt überprüft werden können, dürften aller Voraussicht nach noch einige Jahrzehnte auf sich warten lassen. Die jetzt veröffentlichte Karte eines Braunen Zwergs, die weiteren Informationen über dessen Atmosphäre sowie im Rahmen einer anderen Studie erst jüngst veröffentlichte, allerdings deutlich niedriger aufgelöste Karten einer Exoplaneten-Oberfläche, sind erste wichtige Schritte, um in der Zukunft die Eigenschaften von erdähnlichen Planeten zu charakterisieren.

Beth Biller ergänzt: „Besonders aufregend ist für uns, dass unsere Beobachtungen nur der Anfang sind. Mit der nächsten Generation von Teleskopen, insbesondere mit dem European Extremely Large Telescope mit seinem Spiegeldurchmesser von 39 Metern, sollten wir Oberflächenkarten für noch entferntere Braune Zwerge erstellen können – und irgendwann dann auch einmal für junge Gasplaneten anderer Sterne.“

Ian Crossfield schließt mit der folgenden Bemerkung ab: „Unsere Karte des Braunen Zwergs hilft dabei, uns einen Schritt näher zum Verständnis von Wettermustern in unserem Sonnensystem zu bringen. Von klein auf wurde mir beigebracht die Schönheit und den Nutzen von Karten wertzuschätzen. Da ist es wirklich aufregend zu sehen, dass wir nun angefangen haben sogar Objekte außerhalb unseres Sonnensystems zu kartieren!“

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Fachartikel von Ian J. M. Crossfield et al.:

• A Global Cloud Map of the Nearest Known Brown Dwarf (PDF, engl.)

Fachartikel von Beth A. Biller et al.:

• Weather on the Nearest Brown Dwarfs: Resolved Simultaneous Multi-Wavelength Variability Monitioring… (PDF, engl.)

Der Beitrag Eine Wetterkarte von einem Braunen Zwerg erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: Welt.de/Harvard Smithsonian Center for Astrophysics.

Die Wissenschaftler nahmen bei ihrer Auswertung so genannte Rote Zwerge unter die Lupe, die am häufigsten vorkommende Sternenart im Universum. Dabei stellten sie bei den bisher von Kepler untersuchten Systemen mit Roten Zwergen 95 Planetenkandidaten fest. Drei davon werden als erdähnlich angesehen mit einer Oberflächentemperatur, die flüssiges Wasser ermöglicht. Weiterhin gingen sie davon aus, dass Kepler nicht alle Planeten beobachten konnte, weil die Transitmethode nur solche Planeten erfasst, die direkt vor dem Stern herziehen. Bringt man dies in Zusammenhang mit der schieren Zahl der Roten Zwerge sowie der Berechnung, dass sechs Prozent aller Roten Zwerge Planeten besitzen, kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der nächste bewohnbare Planet vielleicht nur 13 Lichtjahre entfernt ist. In kosmischen oder auch nur galaktischen Maßstäben ist das ein Katzensprung.

Allerdings gibt es bei Planetensystemen von Roten Zwergen noch eine kleine Schwierigkeit. Planeten, die flüssiges Wasser und damit Leben ermöglichen, müssten in solchen Systemen recht nahe am Stern stehen, da Rote Zwerge eine niedrige Oberflächentemperatur aufweisen. Dadurch kommt es zwischen Stern und Planet zu einer gravitativen Bindung, was dazu führt, dass der Planet seinem Stern immer die gleiche Seite zuwendet. Daraus resultieren große Temperaturunterschiede auf dem Planeten, was wiederum zu heftigen Ausgleichsströmungen führen kann, insbesondere an der Tag-Nacht-Grenze.

Für die Wissenschaftler ist dies kein Problem. Ozeane oder dichte Atmosphären könnten dennoch zu einer weitgehend homogenen Temperaturverteilung führen. Weiterhin verweisen sie darauf, dass Rote Zwerge eine höhere Lebensdauer haben als Sterne anderer Spektralklassen. Damit hätte das Leben viel länger Zeit, sich zu entwickeln und auch bei ungünstigeren Bedingungen als auf der Erde Fuß zu fassen.

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• Exoplaneten in habitabler Zone

Der Beitrag Die Aliens von nebenan erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Timo Lange. Quelle: NASA, Vogt et al. 2010.

Gliese 581, ein Zwergstern der Spektralklasse M3, scheint eine wahre Goldgrube für Planetenjäger zu sein. Bereits vor 5 Jahren wurde der erste Planet um diesen im Vergleich zur Sonne enorm leuchtschwachen Roten Zwergstern entdeckt. GJ 581b ist ein den Stern in nur knapp sechs Tagen umlaufender Planet, der aufgrund seiner Masse von mindestens 15 Erdmassen der Klasse der sogenannten „Hot Neptunes“ zugerechnet wird. Die beiden im Jahr 2007 entdeckten Planeten, GJ 581c und -d sorgten ihrerseits bereits für Schlagzeilen, liegen sie doch jeweils am inneren, respektive am äußeren Rand der habitablen Zone des Systems um GJ 581.
Zunächst wurde der innere Planet, GJ 581c als bis dato aussichtsreichster Kandidat für mögliches außerirdisches Leben angesehen. Neuere Modellrechnungen sagten dem mit mindestens fünf Erdmassen der Klasse der „Super-Erden“ zugeordneten Planeten jedoch einen massiven Treibhauseffekt voraus, der zu lebensunfreundlichen Temperaturen ähnlich denen auf der Venus führen würde. Daraufhin geriet GJ 581d ins Zentrum der Aufmerksamkeit. Sollte dieser ebenfalls über einen Treibhauseffekt verfügen, könnten hier die Temperaturen gemäßigte Werte erreichen. Mit über 7 Erdmassen bleibt allerdings bis heute unklar, ob der Planet tatsächlich über eine feste Oberfläche verfügt und nicht ein riesiger Eisklumpen ist.

Der kleinere der nun neu entdeckten Planeten mit dem Kürzel GJ 581g liegt nun genau zwischen diesen beiden Planeten und damit mitten in der habitablen Zone. Er ist mindestens drei Erdmassen schwer. Die Obergrenze für seine Masse liegt mit großer Wahrscheinlichkeit nicht höher als 4,3 Erdmassen. Wäre der Planet massereicher, müsste die Inklination höher sein und das komplexe dynamische Gleichgewicht des fremden Sonnensystems würde ins Wanken geraten. In diesem Massebereich stehen die Chancen sehr gut, dass GJ 581g über eine feste Oberfläche ähnlich der Erde verfügt. Die Nähe zum Roten Zwergstern von nur 0,146 AU (Astronomical Units = Astronomische Einheiten) – Merkur, der innerste Planet unseres Sonnensystems, umläuft die Sonne bei 0,387 AU – sorgt für gemäßigte Temperaturen auf GJ 581g, insbesondere wenn man ebenfalls von einem Treibhauseffekt ausgeht. Die Temperaturen sind trotz der großen Nähe zum Stern so niedrig, weil GJ 581 nur etwa zwei Promille der Energie abstrahlt, die unsere Sonne aussendet.

Die enge Umlaufbahn sorgt dafür, dass ein Jahr auf GJ 581g nur etwa 37 Erdtage dauert und sie sorgt, und das ist der entscheidende Punkt, für eine gebundene Rotation. Ähnlich wie unser Erdmond der Erde immer nur eine Seite zuwendet, zeigt auch eine Seite des Planeten immer zum Stern hin. Das heißt wiederum, dass eine Seite des Planeten permanent abgewandt und damit sehr kalt ist, während die zum Stern hingewandte Hemisphäre sehr heiß sein sollte. Insbesondere die Übergangszone zwischen den beiden Hemisphären – ein Bereich in dem es permanent dämmert – bietet aber wahrscheinlich tatsächlich gemäßigte Temperaturen und damit lebensfreundliche Bedingungen. Weitere Untersuchungen werden nun zeigen müssen, ob GJ 581g tatsächlich über eine Atmosphäre verfügt und wie diese zusammengesetzt ist. Erst dann werden sich genauere Aussagen über die Lebensfreundlichkeit der Bedinungen auf GJ 581g treffen lassen.

Dass es gelang, einen solchen Planeten in unserer direkten Nachbarschaft aufzuspüren, Gliese 581 liegt nur etwa 20 Lichtjahre entfernt, vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass erdähnliche Planeten in unserer Galaxis – und damit im gesamten Universum – häufig vorkommen. Wir müssen sie nur noch entdecken. Die Entdeckung von GJ 581g gelang mit Hilfe des HIRES Spektrometers am Keck-Teleskop auf Hawaii. Radialgeschwindigkeitsmessungen aus elf Jahren wurden mit Messungen des HARPS-Spektrographen der ESO kombiniert, wodurch die beiden neuen Planeten um GJ 581 in den Daten erkennbar wurden.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Nature, Exoplanet.eu, Wikipedia.

Bei dem Stern Gliese 436 handelt es sich um einen etwa sechs Milliarden Jahre alten Roten Zwerg der Spektralklasse M2, welcher sich in einer Entfernung von etwa 33 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Löwe befindet. Durch Messungen der Radialgeschwindigkeit des Sterns gelang bereits im Jahr 2004 der Nachweis eines Exoplaneten, welcher Gliese 436 in einer Entfernung von rund 4,3 Millionen Kilometern alle zwei Tage, 15 Stunden und 27 Minuten einmal umkreist (Raumfahrer.net berichtete damals). Bei einem Transit vor seinem Zentralstern konnte der Durchmesser von Gliese 436b, so die Bezeichnung dieses Planeten, auf etwa 54.000 Kilometer bestimmt werden. Die Exzentrizität der Umlaufbahn, so das Ergebnis von ergänzenden Messungen, weist einen Wert von 0,15 auf und die Planetenmasse konnte zudem auf einen Wert von 0,072 Jupitermassen bestimmt werden.

Somit wird der Planet Gliese 436b der Gruppe der sogenannten „Hot Neptuns“ zugerechnet. Hierbei handelt es sich um eine Klasse von Exoplaneten, die in etwa über einen Durchmesser und eine Masse verfügen, welche mit dem Planeten Neptun in unserem Sonnensystem vergleichbar sind und ihren Zentralstern zudem in einem sehr engen Orbit umkreisen. In Verbindung mit den gängigen Planetenmodellen legen diese Daten deshalb auch die Vermutung nahe, dass Gliese 436b über einen ähnlichen Aufbau wie der Planet Neptun sollte.

Da es sich bei Gliese 436b um einen sogenannten Transitplaneten handelt, konnte ein Wissenschaftlerteam um Kevin B. Stevenson von der University of Central Florida in Orlando/USA die von diesem Planeten ausgehende Strahlung mit dem Spitzer-Weltraumteleskop näher untersuchen. Möglich wurde dies durch die spezielle Neigung der Orbitbahn, welche Gliese 436b von der Erde aus gesehen bei jedem Umlauf einmal vor und einmal hinter seinem Zentralstern entlang laufen lässt.

In einem ersten Schritt nahmen die Wissenschaftler dazu das Spektrum von Gliese 436 auf, als dessen Planet gerade hinter dem Stern vorbeizog und die vom Planeten ausgehende Strahlung somit nicht messbar war. Anschließend wurde die kombinierte Strahlung des Exoplaneten und des Zentralstern in sechs verschiedenen Infrarotwellenlängen aufgenommen, während sich Gliese 436b gerade neben seinem Stern befand.

Von diesem Gesamt-Messergebnis wurde jetzt das zuerst ermittelte reine Sternspektrum abgezogen. Aus den sich auf diese Weise ergebenden Daten konnte man schließlich das allein vom Planeten ausgehende Lichtspektrum berechnen. Aus der Analyse von mehreren auf diese Weise beobachteten Planetendurchgängen leiteten Stevenson und sein Team die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre des Exoplaneten ab.

Hierbei zeigte sich ein unerwartetes Ergebnis. Die ermittelten Mengen von Methan und Kohlenmonoxid stimmten nicht mit den theoretischen Modellen überein, welche die Wissenschaftler auf Grund der sehr wahrscheinlich aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff zusammengesetzten Atmosphäre von Gliese 436b annahmen, wobei Wasserstoff den Hauptbestandteil der Atmosphäre bilden sollte. Bei einer ermittelten Temperatur der Atmosphäre von über 500 Grad Celsius, so die bisher gängigen Modelle der Atmosphärenzusammensetzung, sollte sich bei Gliese 436b ein relativ großer Anteil von Methan nachweisen lassen, während der Anteil von Kohlenmonoxid eher gering ausfallen sollte. Tatsächlich zeigen die gewonnenen Resultate jedoch einen deutlich nachweisbaren Anteil von Kohlenmonoxid, während bei den Messungen nur minimale Mengen von Methan erfasst werden konnten.

Möglicherweise, so die Wissenschaftler, liegt dies daran, dass die den für diese Vorhersagen zugrunde liegenden theoretischen Modelle der Atmosphärenzusammensetzung von einem thermochemischen Gleichgewicht auf dem extrasolaren Planeten ausgehen. Das Team um Kevin Stevenson nimmt deshalb an, dass dieser erwartete Zustand des Gleichgewichts im Fall von Gliese 436b gestört ist. Über den Grund kann bisher allerdings nur spekuliert werden. Als auslösender Faktor wäre zum Beispiel eine vertikale Durchmischung der Planetenatmosphäre denkbar. Diese Durchmischung hätte zur Folge, dass Kohlenmonoxid aus tieferen und somit auch heißeren Schichten der Atmosphäre in deren oberen Bereiche transportiert würde. Dies würde jedoch zugleich bedeuten, dass in der Atmosphäre dauerhaft sehr starke Umwälzungen stattfinden müssten, um das im Vergleich zu den theoretischen Modellen gemessene mindestens 100.000-mal geringere Methan-Kohlenmonoxid-Verhältnis zu erklären.

Einen alternativen Erklärungsansatz für dieses Ungleichgewicht bietet eine Polymerisation von Methan in andere organische Verbindungen wie beispielsweise Ethylen, so das Team um Stevenson. Entsprechende chemische Reaktionen seien bei den auf Gliese 436b vorherrschenden Temperaturen zumindest wahrscheinlich.

„Wir sind erstaunt“, so Joseph Harrington, ein weiterer Astronom von der University of Central Florida, welcher ebenfalls an der Studie mitgewirkt hat. „Aber diese Resultate zeigen uns auch, dass unsere bisherigen Modelle noch weiterer Verbesserungen bedürfen.“ Die in der aktuellen Studie gewonnenen Erkenntnisse belegen erneut, dass die bisher entdeckten und näher untersuchten Exoplaneten nicht in ein einheitliches Schema gepresst werden können. Die Planetenforscher sind jetzt jedenfalls erst einmal damit beschäftigt, die aktuell gewonnenen Daten mit ihren theoretischen Modellen in Einklang zu bringen. Die erfolgte Untersuchung der Atmosphäre von Gliese 436b bringt die Astronomen einen weiteren Schritt näher an ihr nächstes großes Ziel: Der Untersuchung der Atmosphäre eines lediglich erdgroßen Planeten.

Der vom Durchmesser mit dem Planeten Neptun vergleichbare Planet Gliese 436b ist der bisher kleinste Exoplanet, welcher durch ein Teleskop so detailliert analysiert werden konnte. Mit entsprechend größeren und leistungsstärkeren Instrumenten, so die Erwartung der Wissenschaftler, wird es in der Zukunft auch möglich sein, Planeten von der Größe der Erde zu untersuchen und dabei die Zusammensetzung von deren Atmosphären zu ermitteln. Der Nachweis von Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxid sowie speziell von Methan würde dabei Hinweise darauf liefern, ob eine solche „Zweite Erde“ eventuell Leben beherbergen könnte. „Letztendlich sind wir auf der Suche nach Biosignaturen auf einem kleinen, terrestrischen Exoplaneten“, so Kevin B. Stevenson. „Sauerstoff, besonders in Kombination mit Methan, könnte uns einen entscheidenden Hinweis darauf liefern, dass wir Menschen nicht alleine im Weltall sind.“

Die aktuellen Untersuchungen von Kevin B. Stevenson und seinem Team wurden in der Ausgabe vom 22. April 2010 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

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