Kalte Supererde in der Nachbarschaft

Einer inter­nationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Licht­jahre entfernten Barnards Stern einen Planeten nachzu­weisen, der gut drei Mal so viel Masse wie die Erde aufweist und ähnlich kalt ist wie der Saturn. Die Entdeckung gelang über die Messung der perio­dischen Änderung der Radial­geschwindigkeit des Mutter­gestirns. Dabei spielte der Spektro­graph Carmenes eine wichtige Rolle, der vom Max-Planck-Institut mit entwickelt wurde.

Barnards Stern (GJ 699) ist mit einer Entfernung von etwa sechs Licht­jahren der uns am nächsten gelegene Einzelstern. Von der Erde aus gesehen, bewegt er sich von allen Sternen am schnellsten über den Himmel, weil er die größte Eigen­bewegung hat. Schon seit langer Zeit hat man dort erfolglos nach Planeten gesucht. Doch nun haben Astronomen aus den 771 Einzel­messungen, die sie im Laufe von zwei Jahr­zehnten gesammelt haben, ein Signal entschlüsselt, das auf einen Planeten hindeutet. Dieser umläuft seinen Mutter­stern ein Mal inner­halb von 233 Tagen in einem Abstand von 0,4 Astro­nomischen Einheiten. Der Planet wurde auf den Namen Barnard's Star b getauft.

„Für die Analyse haben wir Messungen von sieben verschiedenen Instru­menten über zwanzig Jahre hinweg gesammelt. Dies ist damit einer der größten und unfangreichsten Datensätze, der je für präzise Radial­geschwindigkeits­studien erstellt wurde“, sagt Ignasi Ribas vom Institut de Ciènces de l’Espai in Spanien. Barnards Stern ist ein roter Zwerg, der nur vier Promille der Strahlungs­leistung unserer Sonne abgibt. Daher erreicht den Planeten Barnard's Star b nur etwa zwei Prozent der Intensität, welche die Erde von der Sonne empfängt. Daraus folgern die Wissen­schaftler, dass der Planet mit einer mittleren Temperatur von etwa minus 170 Grad Celsius wahr­scheinlich eine lebens­feindliche, eisige Wüste ist, in der es kein flüssiges Wasser gibt. Mit einer Masse von mindestens 3,3 Erdmassen zählt er zur Klasse der Supererden – also solchen Exo­planeten, die in der Massen­skala zwischen der Erde und dem Neptun liegen.

Die Entdeckung basiert auf der Radial­geschwindigkeits­methode. Hierbei registriert ein empfind­licher Spektrograph kleine periodische Verschie­bungen der Linien im Spektrum eines Sterns, weil der Planet gleichsam an ihm zerrt und seinen Mutterstern dadurch in Bewegung entlang der Sichtlinie versetzt. Daraus lässt sich die Masse des Planeten berechnen. Ist die Planeten­bahn gegenüber der Sichtlinie geneigt, wird jedoch die Geschwindigkeits­änderung des Sterns und damit die Masse des Planeten unterschätzt. In den meisten Fällen ist die Neigung unbekannt. Daher sind die 3,3 Erdmassen von Barnard's Star b nur ein Minimalwert, wenngleich dieser als recht wahr­scheinlich gilt.

Schon in den bis zum Jahr 2015 gesammelten Daten gab es Hinweise auf einen Planeten. Hierzu hat der Max-Planck-Astronom Martin Kürster alleine 76 Datensätze des Uves-Spektro­graphen beige­steuert. Allerdings konnte die letzte Gewiss­heit nur mit zusätzlichen Messungen erlangt werden. Daher schloss man sich zu einer internationalen Arbeitsgruppe genannt „Red Dots“ zusammen, um gemeinsam mit den weltbesten Spektro­graphen Carmenes, Harps und Harps-N rote Zwerge wie Barnards Stern genauer unter die Lupe zu nehmen. Präzise Spektro­graphen wie Carmenes, zu dessen Entwicklung das Heidel­berger Max-Planck-Institut wesentlich beigetragen hat, ermög­lichen es den Astronomen, immer kleinere Exo­planeten zu finden, die immer weiter von ihren Sternen entfernt ihre Bahn ziehen.

„Bis in die 1980er-Jahre war in beinahe allen profes­sionellen und popu­lären Astronomie­büchern zu lesen, dass zwei jupiter­artige Planeten bei Barnards Stern gefunden worden seien", sagt Martin Kürster. „Dies stellte sich durch neuere Messungen, an denen ich zum Teil beteiligt war, als Irrtum heraus. Deswegen ist es jetzt umso faszi­nierender, dass wir mittlerweile in der Lage sind, diesen wesentlich masse­ärmeren Planeten nachzu­weisen.“ Bereits im Jahr 2016 wurde beim sonnen­nächsten Stern Proxima Centauri ein Planet entdeckt. Mit Barnard's Star b kennen wir nun vier Planeten­systeme in einem Abstand von bis zu zehn Licht­jahren vom Sonnen­system. Im Umkreis von 15 Licht­jahren sind es sogar 14. Somit trägt die aktuelle Entdeckung zu der Erkennt­nis bei, dass die Entstehung von Planeten offenbar ein sehr häufiges Phänomen im Kosmos darstellt.

MPIA / JOL