Astronomie: Wenn die Sterne wackeln
Astronomen haben es nicht leicht. Im Gegensatz zu anderen Wissenschaftlern können sie ihre Untersuchungsobjekte nur ansehen. Man kann die Sterne und Planeten nicht im Labor unter dem Mikroskop untersuchen, man kann sie nicht sezieren, nicht in einem Reagenzglas auflösen oder auf eine Waage legen. Alles, was den Astronomen bleibt, ist das Licht der Sterne, das zur Erde gelangt. Aus diesen wenigen Photonen müssen sie all das ableiten, was sie über das Universum wissen wollen. Und erstaunlicherweise funktioniert das ziemlich gut, selbst dann, wenn die Objekte, an denen man interessiert ist, gar kein eigenes Licht erzeugen. Zum Beispiel Planeten.
Die Astronomen haben zurzeit knapp 1.000 Planeten, die um fremde Sterne kreisen, einwandfrei identifiziert. Bei der Entdeckung dieser extrasolaren Planeten wurde aber nur eine Handvoll davon tatsächlich im Teleskop direkt gesehen. Die Mehrheit der Planeten wurde indirekt gefunden. Etwas anderes blieb den Astronomen auch nicht übrig, denn verglichen mit den Sternen sind die Planeten winzig. Sie geben selbst kein Licht ab und das bisschen Licht, das sie reflektieren, wird vom viel helleren Stern überstrahlt. Und bei den riesigen Distanzen im All besteht nur in ganz wenigen Ausnahmefällen die Möglichkeit, einen Exoplaneten direkt zu sehen.
Radialgeschwindigkeitsmethode
Die indirekten Methoden verraten aber auch einiges über die Eigenschaften eines Planeten. Vor allem zwei Methoden werden bei der Suche nach extrasolaren Planeten eingesetzt. Die eine heißt Radialgeschwindigkeitsmethode und nutzt die Tatsache, dass ein Stern immer auch ein klein wenig von seinen Planeten beeinflusst wird. Denn es wirkt nicht nur eine Gravitationskraft vom Stern auf den Planeten, sondern auch umgekehrt vom Planeten auf den Stern. Da der Planet eine viel geringere Masse hat, ist dieser Effekt natürlich viel kleiner. Aber er ist vorhanden und lässt sich messen. Die Gravitationskraft des Planeten bringt den Stern ein klein wenig zum Wackeln, und von der Erde aus gesehen scheint er in regelmäßigen Abständen ein winziges Stückchen auf uns zuzukommen und sich dann wieder zu entfernen.
Je mehr Masse der Planet hat und je näher er seinem Stern ist, desto stärker ist der Effekt. Die Beobachtung des Wackelns kann den Astronomen also verraten, wie schwer der Planet ist und ob er sich auf einem engen oder weiten Orbit befindet. Man kann sogar herausfinden, ob die Bahn des Planeten kreisförmig oder oval ist. Das zweite Keplersche Gesetz(öffnet im neuen Fenster) der Planetenbewegung besagt, dass sich ein Planet umso schneller bewegt, je näher er dem Stern auf seiner Bahn kommt. Ist die Bahn kreisförmig, dann ist er immer gleich weit vom Stern entfernt. Also ist auch die Gravitationskraft, die er auf den Stern ausübt, immer gleich groß. Ist die Bahn allerdings oval, dann ist er dem Stern mal näher, mal ist er weiter entfernt. Der Planet beeinflusst den Stern also zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich stark und der Stern wackelt mal schneller und mal langsamer.
Wenn Planeten wackeln
Man kann den Planeten nicht direkt sehen, aber trotzdem viel über ihn erfahren. Man weiß, in welcher Entfernung er den Stern umkreist, kennt die Form seiner Bahn. Wie schwer er ist, ist nur bedingt herauszufinden. Wie stark wir den Stern von der Erde aus wackeln sehen, hängt auch davon ab, aus welcher Richtung wir auf das extrasolare Planetensystem blicken. Schauen wir genau von "oben" auf die Bahn des Planeten, dann sehen wir den Stern gar nicht wackeln - die Astronomen können ja nur die Bewegung auf uns zu oder von uns weg messen. Blicken wir dagegen genau von der Seite auf die Bahn des Planeten, sehen wir das Wackeln des Sterns am stärksten. Bei Blickwinkeln, die dazwischen liegen, erscheint der Effekt abgeschwächt. Um zu wissen, wie viel des Sternenwackelns wirklich auf den Planeten zurückzuführen ist und wie viel auf den Blickwinkel, müssten wir eigentlich den Blickwinkel kennen. Der lässt sich aber nur schwer herausfinden. Man kennt die Masse des Planeten also nur innerhalb gewisser Grenzen und kann sie nicht genau angeben.
Transitmethode
Das ist bei der zweiten Methode, die zur Exoplanetensuche eingesetzt wird, ganz anders. Bei der "Transitmethode" wollen Forscher den Stern nicht wackeln sehen, sondern blinken. Sie messen dabei die Helligkeit des Sterns und sehen nach, ob er in regelmäßigen Abständen ein klein wenig dunkler wird. Das kann passieren, wenn der Stern von einem Planeten umkreist wird. Zieht der Planet genau zwischen uns und dem Stern vorbei, dann verdeckt er kurzfristig etwas von dessen Licht. Der Unterschied ist nur winzig, aber die Teleskope der Astronomen sind gut genug, um diesen Effekt messen zu können. Auch hier sehen sie den Planeten nicht direkt, können aber aus den Eigenschaften dieses Transits auf seine Eigenschaften schließen. Je größer der Planet ist, desto mehr Licht kann er blockieren und desto dunkler wird der Stern werden.
Aus der Dauer des Transits lässt sich bestimmen, wie schnell sich der Planet bewegt und wie weit entfernt vom Stern er seine Runden zieht (diesmal wird das dritte Keplersche Gesetz angewendet, das einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit und der Größe der Bahn herstellt). Aber so wie bei der Radialgeschwindigkeitsmethode lässt sich auch hier die Masse des Planeten nicht bestimmen.
Kombiniert man allerdings beide Methoden, dann ist es einfach. Leider ist dazu ein wenig Glück nötig, denn nicht jeder Transit ist auch von der Erde aus sichtbar. Nur wenn wir genau im richtigen Winkel auf das System blicken, können wir den Planeten vorüberziehen sehen. Aber wenn wir einen Transit sehen, dann wissen wir, dass der Winkel stimmt und mit dem Wissen über diesen Blickwinkel und mit den Daten der Radialgeschwindigkeitsmethode können wir die exakte Masse des Planeten bestimmen. Mehr noch, wir kennen ja nun sowohl die Größe als auch die Masse und können damit die mittlere Dichte berechnen. Die verrät etwas über die Zusammensetzung des Planeten, zum Beispiel, ob es sich um einen Gasplaneten wie Jupiter oder einen Planeten mit fester Oberfläche wie die Erde handelt. Computersimulationen berechnen das Aussehen des Planeten.
Wichtige Informationen fehlen
Wie es auf dem Planeten genau aussieht, wissen die Astronomen aber immer noch nicht. Mit dem Wissen über die Form und Größe der Bahn können sie abschätzen, wie hoch die Temperaturen auf dem Planeten sind. Aber das alleine muss noch nicht viel bedeuten. Ginge es nur um den Abstand vom Stern, dann betrüge die Durchschnittstemperatur auf der Erde nur -18 Grad Celsius. Zum Glück ist es bei uns aber wärmer (im Durchschnitt hat die Erde +15 Grad). Denn wir haben eine Atmosphäre, die genau aus den richtigen Gasen besteht, um etwas Wärme der Sonne einzufangen.
Dieser natürliche Treibhauseffekt ist dafür verantwortlich, dass es auf der Erde Leben gibt. Wie die Atmosphären der extrasolaren Planeten aussehen, wissen wir dagegen überhaupt nicht. Wir wissen auch nichts über ihre Magnetfelder oder ihre tektonische Aktivität: Informationen, die ebenfalls wichtig sind, wenn wir herausfinden wollen, ob ein Planet lebensfreundlich ist oder nicht.
Für diese Fälle bleiben bis jetzt nur Computersimulationen, die berechnen, wie der Planet anhand der bekannten Informationen vielleicht aussehen könnte. Ob er aber wirklich so aussieht, weiß niemand. Wenn in den Medien von der Entdeckung "lebensfreundlicher" Planeten gesprochen wird; vielleicht sogar von Planeten, auf denen Ozeane existieren , bedeutet das nur, dass nichts dagegen spricht, dass die Planeten lebensfreundlich sein könnten. Ob sie es auch wirklich sind, werden wir erst herausfinden, wenn wir mehr Daten haben. Dazu müssen wir das von den Planeten reflektierte Licht direkt beobachten und analysieren.
Die Reflexion erfolgt unterschiedlich, je nachdem wie die Atmosphäre zusammengesetzt ist. Könnten wir das Licht der fremden Planeten direkt sehen, könnten wir feststellen, wie ihre Atmosphäre aussieht und wir könnten vielleicht feststellen, ob auf ihren Oberflächen Pflanzen wachsen oder nicht, denn auch die Pflanzen reflektieren das Licht auf ganz charakteristische Art und Weise.
Die derzeit vorhandenen Teleskope sind dazu nicht gut genug. An besseren Geräten wird aber schon gebaut. Irgendwann zwischen 2020 und 2030 wird das European Extremly Large Teleskop (EELT) mit einem Spiegeldurchmesser von 39 Metern fertiggestellt. Das EELT wird fremde Planeten direkt sehen können. Wenn es da draußen eine zweite Erde gibt, finden wir sie spätestens dann!