Kepler: Der Planetenjäger geht in die ewigen Jagdgründe

Das Kepler - Weltraumteleskop entdeckte Tausende Planeten und ferne Sterne und zeigte, dass Planeten der Normalfall und keine Ausnahme sind. Ohne Treibstoff geht nun seine einzigartige Mission zu Ende.

31. Oktober 2018 um 09:37 Uhr / Von Frank Wunderlich-Pfeiffer

Das Kepler Space Telescope - künstlerische Darstellung Bild: Wikimedia / Public Domain

Seit 2009 lieferte das Kepler-Weltraumteleskop Beobachtungsdaten von über 100.000 Sternen, um Planeten aufzuspüren. Der Planetenjäger war darin überaus erfolgreich. 2.681 bestätigte Planeten und 2.899 Kandidaten für die Beobachtung eines Planeten haben die Wissenschaft der Exoplaneten einen großen Schritt weitergebracht. Am Dienstag hat die Nasa bekanntgegeben, dass der Mission endgültig der Treibstoff ausgegangen ist und der Forschungsbetrieb eingestellt werden muss.

Der Treibstoff wurde benötigt, um das Teleskop zu stabilisieren und für die Datenübertragung zur Erde zu drehen. Das ganze Teleskop muss gedreht werden, damit die Antenne Richtung Erde ausgerichtet werden kann. Kepler befindet sich in einem eigenen Orbit um die Sonne, der etwas von der Umlaufbahn der Erde abweicht. Damit bleibt die Stelle im Himmel, die beobachtet wird, zwar immer gleich, aber die Position der Erde verändert sich von Kepler aus gesehen ständig. Ohne den Treibstoff kann das Teleskop nicht mehr stabil gedreht werden. Kepler wird nun abgeschaltet und treibt weiter in seinem Orbit.

Die geplante Missionsdauer wurde um mehr als das Doppelte überschritten. Kepler sollte genaue Helligkeitsdaten von Sternen liefern, um den leichten Abfall der Helligkeit bei einer Bedeckung des Sterns durch Planeten in ihrem Orbit zu messen. Die Beobachtungsdaten kamen von 42 CCD-Sensoren mit zusammen 95 Megapixeln. Die Datenverarbeitung geschah mit einer strahlungsgeschützten Variante eines PowerPC-750-Prozessors mit 200 MHz Rechentakt. 16 GByte Speicher reichten aus, um Messdaten von zwei Monaten zu speichern und später mit bis zu 4,3 MBit/s zur Erde zu senden.

Bei der Auswertung der Forschungsergebnisse wurde bald klar, dass es in unserer Milchstraße wohl mehr Planeten als Sterne gibt. Dabei war Kepler für die Beobachtung sonnenähnlicher Sterne ausgelegt. Bei dieser Gruppe von Sternen wird inzwischen geschätzt, dass von ihnen etwa 20 bis 50 Prozent zumindest einen Planeten innerhalb der habitablen Zone haben, der kein Gasriese ist. Auf der Oberfläche dieser Planeten könnte Wasser in flüssiger Form existieren, was sie für weitere Beobachtungen besonders interessant macht. Alle Messdaten der Mission sind öffentlich im Internet zugänglich.

Im Weltraum kann die Atmosphäre nicht stören

Von der Erdoberfläche aus wäre die Mission kaum durchführbar gewesen. Wenn etwa die Erde vor der Sonne entlangzieht, würde die Helligkeit der Sonne aus der Ferne gesehen etwa nur um 0,008 Prozent sinken. Helligkeitsmessungen mit dieser Präzision benötigen keine besonders großen Teleskope, dafür aber gute Beobachtungsbedingungen. Die unruhige Erdatmosphäre macht sie sehr schwierig.

Für die Messungen wurde das Weltraumteleskop mit einer 95-Zentimeter-Schmidt-Teleskop-Optik ausgestattet und wog so beim Start nur 1.052 Kilogramm. Größere Teleskope als Kepler mit mehr als einem Meter Durchmesser sind zwar selbst in kleineren Universitätssternwarten anzutreffen, aber keines hätte von der Erde aus die gleichen Messungen durchführen können. Außerdem ermöglichte das niedrige Gewicht durch das kleine Teleskop noch einen Start mit einer der letzten Delta-II-Raketen.

Defekte Schwungräder behinderten die Mission

Die Kepler-Mission verlief insgesamt sehr erfolgreich und erfüllte alle Erwartungen, aber sie war keineswegs problemlos. Die Mission litt unter dem Versagen mehrerer Schwungräder, mit denen die Lage des Teleskops im Weltraum kontrolliert wird. Damit war Kepler nicht allein. Auch andere Missionen, wie die japanische Raumsonde Hayabusa und die Kleinplanetensonde Dawn, wurden mit Schwungrädern des gleichen Herstellers ausgestattet und von ähnlichen Problemen betroffen.

Was mit Kepler passiert (01:11)

Seit 2013 standen Kepler nur noch zwei Schwungräder zur Verfügung. Aber die Ingenieure der Nasa fanden einen Weg, die Stabilisierungsfunktion des dritten Rades zumindest eingeschränkt durch den Lichtdruck der Sonne zu erfüllen und so weiterhin wissenschaftliche Daten zu liefern. Die Defekte der Schwungräder konnten letztlich auf elektrische Aufladungen durch Sonnenstürme zurückgeführt werden. Sie führten in den Kugellagern der Schwungräder zur Bildung von Blitzen, die das Material oberflächlich anschmolzen. Schon vor der Aufklärung der Fehlfunktionen wechselte der Hersteller zu Lagern aus Keramik, die solche Probleme nicht haben.

Keine Planetenjagd funktioniert ohne internationale Kooperation

Für den Erfolg der Mission war die Beobachtung von möglichst vielen Sternen unerlässlich. Nur ein Bruchteil der Planeten in der Milchstraße zieht, von der Erde aus gesehen, tatsächlich vor einem Stern entlang. Der Durchgang eines Planeten vor einem Stern lässt sich nur beobachten, wenn wir recht genau von der Seite auf die Ebene der Umlaufbahn eines Planeten schauen. Schauen wir hingegen von oben auf ein Planetensystem herab, wird niemals einer der Planeten vor dem Stern entlangziehen und mit dieser Methode entdeckt werden.

Um nach der Beobachtung von leichten Helligkeitsschwankungen auf einen möglichen Planeten zu schließen, ist dabei viel Analysearbeit nötig. Sonnenflecken können ähnliche Signale erzeugen, verändern sich aber im Lauf der Zeit. Manche Sterne verändern aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften ihre Helligkeit, was durch Unregelmäßigkeiten auffallen könnte oder erst nach weiteren Untersuchungen des Sterns.

Gaia-Mission lieferte wichtige Daten

Wenn der Planet echt ist, können dessen Größe und Entfernung vom Stern nicht direkt gemessen werden. Zuerst muss aus den bekannten Daten des Sterns dessen Durchmesser geschätzt werden. Theoretische physikalische Modelle liefern Zusammenhänge zwischen der Helligkeit, der Farbe, der Masse und dem Durchmesser eines Sterns. Teilweise können diese Modelle auch überprüft werden, etwa durch die interferometrische Messung des Durchmessers sonnennaher Sterne. Auch die Umlaufzeiten von Doppelsternen mit unterschiedlichen Eigenschaften liefern Hinweise auf deren Masseverhältnisse und damit Chancen zur Überprüfung der Theorie.

Zur Bestimmung der echten Helligkeit eines Sterns und damit des Durchmessers und der Masse, muss auch dessen Entfernung bekannt sein. Hier lieferte die europäische Astrometrie-Mission Gaia wichtige Daten durch die genaue Vermessung und Entfernungsbestimmung von rund 1,7 Milliarden Sternen.

Entdeckte Planeten werden genauer untersucht

Mit all diesen Daten können Masse und Durchmesser des Sterns geschätzt werden. Der Helligkeitsabfall beim Durchgang des Planeten liefert die Größe im Verhältnis zum Stern. Aus dem Zeitabstand wiederholter Durchgänge des Planeten vor dem Stern kann – über die Masse des Sterns und die Gravitationsgesetze – die Entfernung des Planeten vom Stern bestimmt werden. Interessante Planeten können anschließend mit anderen Teleskopen weiter untersucht werden. Mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode kann die Masse des Planeten im Vergleich zum Stern bestimmt werden, insofern der Planet schwer genug und dem Stern nah genug ist, um ein messbares Signal zu liefern.

Wenn die Masse messbar ist, kann anschließend die Dichte des Planeten untersucht werden und der Planet als Gasriese oder eher steiniger Planet wie die Erde klassifiziert werden. Auf diese Weise gelangten die Forscher schließlich zu der Erkenntnis, dass wohl zwischen 20 und 50 Prozent der sonnenähnlichen Sterne Planeten haben, auf denen flüssiges Wasser existieren könnte. Aber das alles wurde nur durch internationale Kooperation verschiedener Missionen und die Kombination ihrer Datensätze überhaupt möglich.

Die Wahl des Schmidt-Teleskops war dadurch bedingt, dass Kepler einen möglichst großen Bereich des Himmels mit einem Teleskop abbilden sollte. Die beobachtete Fläche am Himmel, von mehr als 100 Quadratgrad, entspricht einem Feld mit mehr als dem 20fachen Monddurchmesser. Selbst die neueste und größte Kamera des Weltraumteleskops Hubble bildet dagegen nur eine Fläche von einem Zehntel des Monddurchmessers ab.

Das Schmidt-Teleskop machte Kepler einzigartig

Keplers großes Gesichtsfeld wird erst durch die Schmidt-Platte möglich, eine speziell geschliffene Korrekturoptik an der Teleskopöffnung. Normale Spiegelteleskope mit Parabolspiegeln haben sogenannte Koma-Effekte. Je weiter ein Stern von der Mitte des Gesichtsfelds im Teleskop entfernt ist, desto stärker wird er länglich nach außen verzerrt, bis er aussieht wie der Schweif eines Kometen. Schmidt-Teleskope benutzen dagegen einen Kugelspiegel, der zwar keine Koma-Effekte erzeugt, aber wegen seiner nichtparabolischen Form nirgendwo ein scharfes Bild eines Sterns liefert.

Die Schmidt-Platte ist ein Weg, dieses Problem zu lösen. Bernhard Schmidt stellte sie her, indem er eine Glasplatte auf einen Behälter legte, in dem ein Unterdruck hergestellt wird. Die Platte biegt sich daraufhin nach innen durch. Anschließend schliff er die Oberseite plan, bei konstantem Unterdruck im Behälter. Zuletzt wurde der Druck ausgeglichen, die Platte bog sich zurück und hatte danach die korrekte Form. Das alles tat Bernhard Schmidt einhändig, da er beim Spielen mit Schießpulver als Kind eine Hand verloren hatte.

Der Teleskopspiegel von Kepler hinter der Platte ist mit 1,4 m Durchmesser deutlich größer als die Platte selbst, um den Rand des Gesichtsfeldes nicht abzuschatten. Das Resultat ist ein Teleskop, das scharfe Abbildungen über ein sehr großes Gesichtsfeld liefern kann. Allerdings ist die Fläche der schärfsten Abbildung kugelförmig gebogen und nicht eben, weshalb auch die 42 CCD-Sensoren auf einer Kugelform angeordnet werden mussten.

Ohne Schwerkraft gibt es weniger Probleme

Auf der Erde ist die Größe von Schmidt-Teleskopen vor allem durch die Schmidt-Platte begrenzt. Das größte ist das Alfred-Jensch-Teleskop in Tautenburg bei Jena mit 1,4 m Durchmesser. Je nach Stellung des Teleskops verbiegt sich die Schmidt-Platte unter ihrem eigenen Gewicht im Gravitationsfeld der Erde. Anders als der Spiegel kann sie dabei auch kaum durch weitere Strukturen abgestützt werden, weil sie durchsichtig sein muss.

In der Schwerelosigkeit verschwindet ein Großteil dieser Probleme, solange das Teleskop alle Kräfte durch die Vibrationen beim Start der Rakete übersteht. Theoretisch hätte zwar auch eine Linsenoptik einen ähnlich großen Teil des Himmels scharf abbilden können, allerdings hätte ein Objektiv mit Linsen von über einem Meter Durchmesser wesentlich mehr gewogen. Wie einzigartig die Kepler-Mission mit diesem Teleskop war, zeigen die nächsten Missionen mit ähnlichem Konzept.

Kepler wird lange einzigartig bleiben

Eine echte Nachfolgemission hat Kepler derzeit nicht. Es gibt eine ähnliche Mission namens Tess, die für die Beobachtung von Zwergsternen optimiert ist. Deren Planeten lassen sich durch ihre engeren Orbits und kürzerer Umlaufzeiten leichter entdecken. Tess wird mit seinen vier nur 10 cm großen Objektiven fast den gesamten Himmel durchmustern.

Durch die kleinen Optiken und die geringe Leuchtkraft der Zwergsterne wird die Zahl der untersuchten Sterne dabei nur etwa genauso groß sein wie die von Kepler. Dafür ist das Budget der im April mit einer Falcon-9-Rakete gestarteten Mission mit 200 Millionen US-Dollar wesentlich kleiner. Kepler kostete 600 Millionen US-Dollar für Entwurf, Bau und Start sowie 10 Millionen US-Dollar pro Jahr für den Betrieb.

Noch weniger soll die europäische Mission Cheops mit 50 Millionen Euro kosten. Die Mission soll mit einem 30-cm-Teleskop genauere Messungen von Planeten durchführen, die zuvor mit anderen Teleskopen von der Erde aus entdeckt wurden, ohne die störende Atmosphäre. Der Start ist für nächstes Jahr vorgesehen. Ebenso von der Esa stammt die für 2026 geplante Mission Plato, die mit mehreren Kameras bis 12 cm Durchmesser vor allem hellere Sterne untersuchen soll.

Vertreter der Nasa betonten in einer Pressekonferenz mehrfach, dass das 6,5 m große James Webb Telescope die entdeckten Planeten eines Tages genauer untersuchen soll. Dessen Starttermin ist wegen technischer Probleme aber noch immer unklar. Ohnehin ist es mit Kepler nicht vergleichbar und nur zur Untersuchung der Planeten geeignet, nicht zu deren Entdeckung. Die Leistung von Kepler, die Beobachtung Hunderttausender sonnenähnlicher Sterne in einem kleinen Bereich zwischen den Sternbildern Leier und Schwan, wird wohl für viele Jahre einzigartig bleiben.