Porträt eines Exoplaneten

Die allermeisten Planeten bei fremden Sternen entdecken die Astronomen mithilfe ausge­klügelter Methoden. Dabei erscheint der Exoplanet nicht im Bild, sondern verrät sich indirekt im Spektrum. Jetzt ist einem Team mit Wissen­schaftlern aus den Max-Planck-Instituten für Astronomie sowie für extra­terrestrische Physik die erste direkte Bestätigung für einen Exoplaneten gelungen, der zuvor mit dem Verfahren der Radial­geschwindigkeits­messung entdeckt worden war: Das schwache Leuchten des rund 63 Lichtjahre von der Erde entfernten Planeten Beta Pictoris c ließ sich mit dem Very Large Telescope in Chile und dem daran angeschlossenen Instrument Gravity neben den hellen Strahlen seines Mutter­sterns beobachten. Daraus können die Forscher nun sowohl die Helligkeit als auch die dynamische Masse eines Exo­planeten ableiten und so die Entstehungs­modelle dieser Objekte besser eingrenzen.

Der Stern Beta Pictoris ist der zweithellste in der Konstellation Maler am Südhimmel und besitzt zwei bekannte Planeten, Beta Pictoris b und Beta Pictoris c. Letzterer umkreist seinen Mutterstern auf einer derart engen Umlaufbahn, dass ihn selbst die besten Teleskope der Welt bisher nicht direkt abbilden konnten. Vor einigen Jahren wurde er mit der Radial­geschwindigkeits­messung entdeckt. Weil der Planet an seinem Mutterstern zerrt wie ein angeleinter Hund an seinem Herrchen, macht der Stern mit einer bestimmten Geschwin­digkeit periodische Bewegungen. Diese zeigen sich an einer minimalen Verschiebung der Spektral­linien – was wiederum Rückschlüsse auf die Existenz des Planeten erlaubt.

Mit dieser Methode haben die Astronomen mittler­weile Hunderte von Exoplaneten aufgespürt, aber eben nur indirekt. „Dies ist die erste direkte Bestätigung eines Planeten, der mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt wurde“, sagt Sylvestre Lacour, Leiter des Programms Exo­gravity. Der Name spielt auf das Instrument Gravity an, das sich in einem Labor unter den vier Acht-Meter-Spiegeln des Very Large Telescope in den chilenischen Anden befindet. Gravity kombiniert das von den einzelnen Fernrohren aufgefangene Licht und erzeugt damit ein virtuelles Teleskop sehr hoher Auflösung. Diese war nötig, um Beta Pictoris c abzubilden. „Es ist erstaunlich, welche Detail­genauigkeit und Empfindlichkeit wir mit Gravity erreichen können“, sagt Frank Eisenhauer vom Max-Planck-Institut für extra­terrestrische Physik in Garching. „Wir fangen gerade erst an, atem­beraubende neue Welten zu erforschen, vom supermasse­reichen schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxis bis hin zu Planeten außerhalb des Sonnensystems.“

Der direkte Nachweis von Beta Pictoris c war allerdings nur möglich, weil neue Radialgeschwin­digkeitsdaten seine Bahnbewegung genau festlegen. Dies ermög­lichte es dem Team, die erwartete Position des Planeten vorherzusagen, sodass Gravity in der Lage war, ihn tatsächlich aufzuspüren. Beta Pictoris c ist der erste Planet, der mit beiden Methoden – der indirekten Messung und der direkten Beobachtung – entdeckt und bestätigt wurde. Zusätzlich zum unab­hängigen Nachweis des Exoplaneten können die Astronomen nun das Wissen aus diesen beiden bisher getrennten Verfahren zusammenführen. „Jetzt können wir sowohl die Hellig­keit als auch die Masse dieses Exoplaneten heraus­finden“, sagt Mathias Nowak. Und: „Im Allgemeinen gilt, je masse­reicher der Planet desto leucht­kräftiger.“

Im aktuellen Fall sind die Daten über die beiden Planeten jedoch etwas rätselhaft: Beta Pictoris c leuchtet sechsmal schwächer als sein größerer Bruder Beta Pictoris b. Dabei hat Beta Pictoris c die achtfache Masse des Jupiters in unserem Sonnensystem. Wie massereich ist also Beta Pictoris b? Radial­geschwindigkeits­daten werden diese Frage beantworten können, aber es wird lange dauern, um genügend Daten zu sammeln: Eine volle Umlaufbahn des Planeten b um seinen Stern dauert 28 Erdjahre. „Bereits aus früheren Messungen, bei denen wir mit Gravity für andere Exoplaneten Spektren aufgenommen haben, konnten wir bestimmte Rück­schlüsse auf die Entstehungs­prozesse der Planeten ziehen“, sagt Paul Mollière, der am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg die Spektren von Exoplaneten modelliert. „Aber diese Kombination aus Helligkeits­messung und Massen­bestimmung für Beta Pictoris c ist ein besonders wichtiger Schritt, um die Modelle der Planeten­entstehung auf die Probe zu stellen“, so Mollière. Weitere Daten könnte auch Gravity+ liefern, ein Instrument der nächsten Generation, das gerade entwickelt wird.

MPG / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  M. Nowak et al.: Direct confirmation of the radial-velocity planet β Pictoris c, Astron. & Astrophys. 642, L2 (2020); DOI: 10.1051/0004-6361/202039039
• A. M. Lagrange et al.: Unveiling the β Pictoris system, coupling high contrast imaging, interferometric, and radial velocity data, Astron. & Astrophys. 642, A18 (2020); DOI: 10.1051/0004-6361/202038823
• VLTI Gravity, ESO, Paranal, Chile