Optimierte Planetensuche

Um auch kleinere Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdecken zu können, Bedarf es neuer Technik. Allzu weit entfernt ist man nicht mehr.

Tucson (USA) - Auf der Suche nach erdähnlichen Planeten im Universum stoßen Astronomen noch an die Grenzen ihrer Instrumente. Zwar haben sie inzwischen mehr als 140 Planeten in anderen Sonnensystemen entdeckt - doch immer handelt es sich um Riesenplaneten etwa von der Größe Jupiters. Nur sie sind indirekt, mit den bisherigen Methoden der Doppler-Spektroskopie zu entdecken. Denn nur sie stören das Licht ihres Muttersterns genug, sodass es auf der Erde zu beobachten ist. Um mehr über die Planeten herauszufinden, müsste man direkt das Licht analysieren können, das sie von ihren Sternen reflektieren. Jetzt hat ein US-Astronom theoretisch ausgeführt, welche Technik dafür nötig sein wird, in welchen Wellenlängenbereichen und mit welchen Teleskopen sich welche der Kandidaten vermutlich am besten beobachten lassen werden. Er zeigt, dass die aktuelle Technik nicht mehr allzu weit davon entfernt ist.

"In den kommenden 20 Jahren wird es immer mehr neue Ergebnisse über extrasolare Planeten geben, die unsere Sicht vom Aufbau eines Planetensystems komplett verändern werden. Dabei sind die helleren extrasolaren Riesenplaneten die natürlichen Sprungbretter auf dem Weg zu Bildern von extrasolaren Erden", erklärt Adam Burrows vom Steward Observatory der University of Arizona im Fachblatt "Nature". Weil aber auch das von extrasolaren Riesenplaneten (EGPs) reflektierte Licht vom sehr viel helleren Licht ihres Muttersterns überstrahlt wird und mit bisherigen Teleskopen nicht gesehen werden kann, analysiert der Theoretiker Burrows schon einmal im Modell: Welche Informationen über chemischen und strukturellen Aufbau eines Planeten und seine Evolution müsste die direkte Beobachtung liefern?

Zahlreiche Forschungsteams haben in den vergangenen Jahren mit Hilfe hochauflösender Doppler-Spektroskopie mehr als 140 EGPs in mehr als hundert extrasolaren Sonnensystemen entdeckt. Aufgrund seiner Schwerkraft induziert ein massereicher Planet beim nahen Umlauf um seinen Mutterstern eine periodische Dopplerschwankung in dessen Lichtsignal. Aus der Analyse der Spektrallinien lässt sich die Umlaufperiode (p), die Exzentrizität (e), die große Halbachse der Umlaufbahn (a) und die projizierte Masse (M _psin(i), mit i als Orbit-Inklination) berechnen. Je größer die projizierte Masse des Planeten, desto größer und deutlicher ist die Störung. So wurden bisher vor allem EGPs von etwa der Masse Jupiters entdeckt, allerdings variieren die Massen von etwa 0,06 bis mehr als 10 Jupitermassen. Bei den schwersten Objekten könnte es sich allerdings auch um braune Zwerge handeln, so Burrows, die Doppler-Technik könne dies nicht unterscheiden.

Mehr als 25 der entdeckten EGPs umlaufen ihre Sonne nicht allein, sondern finden sich in multiplen Systemen, darunter auch eine Vierergruppe in 55 Cancri und eine Dreiergruppe in Andromedae. Die Umlaufperioden der bekannten EGPs reichen von rund 1,2 Tagen bis zu 12 Jahren, die großen Halbachsen der Umlaufbahn reichen von rund 0,022 bis rund 6,0 astronomischen Einheiten, die Exzentrizitäten variieren zwischen 0,0 und 0,9. Der Erde am nächsten liegen die EGPs 51 Peg b, J Bootis b, HD209458b und OGLE-TR56b. Offenbar gibt es sogar eine Faustregel, die die Suche nach EGPs erleichtern kann und einen Hinweis auf Planetenentstehung gibt, so Burrows: Je "metallischer" ein Stern ist, also je mehr Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Neon, Magnesium, Silizium und Eisen er beherbergt, desto größer scheint die Chance, EGPs in seiner Nähe zu finden: Bei Sternen mit mindestens der doppelten "Metallizität" unserer Sonne steigt die Chance von rund fünf auf rund zwanzig Prozent.

Anhand von Modellen, vor allem den bekannten Daten von Jupiter und Saturn, untersucht Burrows nun, welche Besonderheiten und Extreme bei der weiteren Beobachtung der EGPs zu beachten sind. Dabei stellt er klar, dass der Transit von EGPs vor ihrer Sonne kein Ersatz ist für die direkte Beobachtung und Analyse der optischen und infraroten Spektren. Denn nur die Spektren liefern die Details zur Zusammensetzung der Planetenatmosphäre, zu Radius, Gravitation und Masse - und eventuell zur Entstehung des Sterns. Für die Atmosphärenchemie und Spektraldatenanalyse zeigt Burrows anhand seiner Modelle nicht nur, welche Detailinformationen zu erwarten sind, sondern auch, mit welchen Schwierigkeiten und Verzerrungen künftige Beobachter zu rechnen haben.

Überhaupt sei es wahrscheinlich, so Burrows, dass viele EGPs in Entfernungen und Umlaufperioden jenseits der Reichweite der Doppler-Spektroskopie existierten: "Tatsächlich könnte es sein, dass die Mehrzahl der Sterne in Nachbarschaft zur Sonne Planetensysteme beherbergen, die nur mit neuen Techniken entdeckt werden können. Hier kommen Methoden der direkten Beobachtung, am effizientesten bei großen Winkelentfernungen vom Mutterstern, zum Tragen." Dabei hätten Teleskope auf der Erde oder im All beide ihre Berechtigung, erklärt Burrows. Die großen Unterschiede in den Eigenschaften der bisher entdeckten Planeten machten es ohnehin notwendig, unterschiedlichste technische Lösungen zur direkten Beobachtung zu entwickeln. Junge, massereiche und nahe EGPs seien eigentlich hell genug, um mit heutigen 8- bis 10-Meter-Teleskopen am Boden oder mit solchen in Erdnähe beobachtet zu werden – besonders im nahen und mittleren Infrarot. Zu lösen sei vor allem das Problem der extremen Überstrahlung durch den Mutterstern durch interferometrische Methoden. Ein exzellentes Werkzeug für die weitere Suche sei auch der "Terrestrial Planet Finder (TPF)", Flaggschiff des "Origins"-Programms der NASA. Auch der Mikrosatellit MOST könne hier Informationen liefern. Doch auch Bodentechniken könnten ohne direkte optische Beobachtung viele Details erkunden, etwa den Flux - dafür spreche nicht zuletzt die Kostenfrage.

Insgesamt sieht Burrows die Forschungsfortschritte in diesem Bereich sehr optimistisch: "Sowohl die NASA als auch die ESA haben der Planetensuche in ihrer Planung einen Ehrenplatz eingeräumt. Jetzt werden Strategien entwickelt, um das Entdeckungstempo durch eine logische Abfolge von Missionen und Teleskopbauten zu optimieren. Und zudem reift die unterstützende Theorie jetzt zu dem Punkt, dass wir bereit sein dürften zu interpretieren, was wir sehen."

Dörte Saße

Weitere Infos:

• Originlaveröffentlichung:
  Adam Burrows, A theoretical look at the direct detection of giant planets outside the Solar System, Nature 433, 261 (2005).
  http://dx.doi.org/doi:10.1038/nature03244 
• Steward Observatory, University of Arizona, Tucson AZ, USA:
  http://www.as.arizona.edu 
• Exoplanten:
  http://exoplanets.org 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema extrasolare Planeten finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Astrophysik.