Ross 128: Etwas größer als die Erde und nicht weit weg
Mit der Erfindung der Fotografie konnten Astronomen erstmals die Position von Sternen vermessen, ohne dafür gezielt einen Stern am Nachthimmel aussuchen zu müssen. Eine Fotoplatte enthält die Position Hunderter Sterne, die dann jederzeit vermessen werden kann. Beim Vergleich der Platten über mehrere Jahre stellten Astronomen bald fest, dass einige der sogenannten Fixsterne keineswegs stillstehen. Sie bewegen sie vor dem Hintergrund der restlichen Sterne.
Frank Elmore Ross(öffnet im neuen Fenster) hat einen der ersten Kataloge dieser Sterne erstellt. Der Stern mit dem Eintrag Nummer 128 befindet sich mit nur elf Lichtjahren Entfernung sehr nah an der Sonne. Nach der Auswertung von über zehn Jahren Beobachtungsdaten(öffnet im neuen Fenster) haben Astronomen dort jetzt einen Planeten entdeckt, der wohl nur etwas schwerer als die Erde ist und möglicherweise lebensfreundliche Temperaturen hat. Aber bis zu dieser Entdeckung war viel Arbeit nötig.
Mit einer Eigenbewegung von 1,36 Bogensekunden pro Jahr braucht Ross 128 zwar rund 1.300 Jahre, um sich am Himmel um einen Monddurchmesser zu bewegen, aber die Bewegung ist schon nach wenigen Jahren auffällig. Spätere Messungen ergaben, dass er mit einer Entfernung von 3,38 Parsec der dreizehntnächste Stern an der Sonne ist. Schon das alleine macht den kleinen Roten Zwerg für Astronomen interessant und zu einem regelmäßigen Beobachtungsobjekt.
Winzige Änderungen im Spektrum verraten Planeten
Der Aufwand für die Entdeckung des Planeten war dabei viel größer als der Aufwand für die Entdeckung der Bewegung von Ross 128 am Himmel. Dabei kam die inzwischen bewährte Methode der Radialgeschwindigkeiten zum Einsatz. Weil die effektive Masse des Planeten von 1,3 Erdmassen auch eine Anziehungskraft auf den 43.000mal so schweren Stern ausübt, bewegt sich auch der Stern bei jeder Umkreisung des Planeten. Wenn der Planet sich auf der uns zugewandten Seite des Sterns befindet, bewegt sich der Stern mit etwa 5 km/h auf uns zu, ist sein Begleiter auf der anderen Seite unterwegs, bewegt sich Ross 128 genauso schnell von uns weg.
Durch den optischen Dopplereffekt verschiebt sich die Wellenlänge des vom Stern ausgesandten Lichts ein wenig ins Rote, wenn er sich von uns wegbewegt. Um diese winzigen Änderungen mit dem HARPS-Instrument(öffnet im neuen Fenster) zu messen, wird das Licht des Sterns mit einem Teleskop auf einer Glasfaser gebündelt. Das Licht wird dann in einem Spektrografen mit einem optischen Gitter in die Wellenlängen seiner Photonen aufgespalten. Danach wird es noch einmal feiner aufgespalten(öffnet im neuen Fenster) und ausgewertet. Zur Auswertung wird das Licht des Sterns mit dem konstanten Spektrum einer Thoriumlampe am Boden verglichen.
Hochempfindliche Geräte auf einem ständig rotierenden Planeten
Um Messfehler durch das Instrument zu reduzieren, befindet sich der Spektrograf dabei in einer Hochvakuumkammer, in der nur noch ein Milliardstel des irdischen Luftdrucks herrscht, und bei einer Temperatur gehalten, die möglichst auf ein hundertstel Grad Celsius konstant bleibt. Selbst so entspricht der statistische Messfehler des Instruments noch etwa 3,5 km/h in der Radialgeschwindigkeit. Deswegen sind viele Messungen nötig, um statistisch auswertbare Daten für die Radialgeschwindigkeit zu erhalten.
Das Messinstrument ist aber nur eines der Probleme. Wie unsere Sonne ist der Stern aktiv, mit Sonnenflecken, Flares und Bewegungen der Sternoberfläche, außerdem rotiert er. Durch die Rotation des Sterns bewegt sich eine Seite des Sterns immer auf uns zu und die andere von uns weg. Damit wird das Licht von diesen Seiten aber auch ins Blaue oder Rote verschoben. Wenn sich jetzt ein Fleck auf dem Stern befindet, fehlt zunächst ein Teil des blauverschobenen Lichts, wenn der Fleck sichtbar wird, und später ein Teil des rotverschobenen Lichts, wenn er auf der Seite des Sterns ist, die sich von uns wegdreht.
Die Astronomen mussten also zunächst den Stern vermessen und mit Sternen ähnlicher Eigenschaften vergleichen, um einige Fehlerquellen ausschließen zu können. Die beschriebenen und andere Prozesse können falsche Entdeckungen provozieren, zumal sich das Messinstrument selbst auf einem sich drehenden Planeten befindet, der einen Stern umkreist. Jede dieser Bewegungen taucht deutlich in der Verschiebung des Spektrums auf und muss berücksichtigt werden.
Auch jahrelange Beobachtungen bringen wenig Wissen über den Planeten
Das nächste Problem ist, dass immer nur ein Stern pro Beobachtung vermessen werden kann, aber viele Sterne mögliche Kandidaten für die Vermessung sind. Es ist dabei unmöglich, einen Stern dauerhaft zu vermessen, bis ein Planet auftaucht oder nicht. Für die Entdeckung würden wenigstens zwei volle Umkreisungen durch den Planeten benötigt, und bis zur Entdeckung weiß niemand, wie lange ein Umlauf dauert.
Es wird also in jeder Nacht nur die aktuelle Geschwindigkeit mehrerer Sterne vermessen und erst einige Tage später wieder ein neuer Datenpunkt aufgenommen. Deshalb braucht selbst die Entdeckung eines Planeten mit weniger als zehn Tagen Umlaufzeit Daten aus über zehn Jahren Beobachtungszeit. Die Messdaten dieser Zeit werden über Computermodelle ähnlich einer Fourieranalyse ausgewertet und auf mögliche periodische Anteile überprüft, immer unter Abgleich mit den bekannten Daten der Rotationsperiode des Sterns und der relativen Bewegung des Teleskops auf der Erde relativ zum Stern.
Letztlich fand sich in der Auswertung der Daten eine kleine periodische Veränderung der Radialgeschwindigkeit alle 9,86 Tage. Aus der Umlaufzeit und der Geschwindigkeit, mit der der Stern von seinem Planeten angezogen wird, lässt sich über die Keplerschen Gesetze die Masse und Entfernung des Planeten vom Stern ausrechnen, sofern die Masse des Sterns bekannt ist. Dafür liefert ein Einzelstern aber zunächst keinerlei Anhaltspunkte.
Wie schwer ist ein Stern?
Nur die Masse von sonnennahen Doppelsternen kann wirklich vermessen werden. Dazu wird der Abstand des Doppelsterns von der Sonne bestimmt. Die Position des Sterns am Himmel ändert sich leicht, je nach dem ob sich die Erde aus Sicht des Sterns links oder rechts der Sonne befindet. Daraus und aus der bekannten Entfernung der Erde zur Sonne kann die Entfernung des Sterns berechnet werden. Jetzt kann aus dem scheinbaren Abstand der Doppelsterne zueinander deren echte Entfernung berechnet werden. Und jetzt kann aus der Umlaufzeit der Sterne umeinander und ihrem Abstand voneinander ihre Masse berechnet werden.
Durch diese Doppelsterne ist bekannt, welche Eigenschaften Sterne mit einer bestimmten Masse haben. Diese Erkenntnisse wurden dann noch verfeinert durch theoretische Überlegungen zur Auswirkung der Sternmasse auf die Kernfusion und andere Prozesse im Sterninneren auf das Aussehen des Sterns. Erst dadurch lässt sich die Masse eines einfachen Sterns wie Ross 128 bestimmen, aber die Masse seines Planeten leider nicht. Alles, was die Astronomen sagen können, ist, wie schwer der Planet mindestens sein muss, um die Bewegung des Sterns zu verursachen.
Der Planet kann frühestens 2024 direkt beobachtet werden
Wenn die Umlaufbahn des Planeten aus Sicht der Erde geneigt ist, dann zieht die Masse des Planeten den Stern nicht genau in unsere Richtung. Die Astronomen können aber nur diesen Anteil messen. Da aus Messungen bekannt ist, dass der Planet nie über den Stern hinwegzieht, ist auch klar, dass seine Umlaufbahn zumindest etwas geneigt sein muss. Je stärker die Neigung der Umlaufbahn ist, umso größer muss die Masse des Planeten sein, um die Bewegung des Sterns zu verursachen. Wäre diese Neigung rein zufällig, wäre die Masse des Planeten im Mittel etwa doppelt so groß wie der Messwert von 1,3 Erdmassen. Aber Untersuchungen zeigen(öffnet im neuen Fenster) , dass diese Bahnneigungen nicht rein zufällig und nicht ganz verstanden sind.
Alle weiteren Eigenschaften des Planeten sind reine Spekulation.(öffnet im neuen Fenster) Ein steiniger Planet, ähnlich wie unsere Erde, ist durchaus wahrscheinlich. Je nach den Annahmen darüber, wie gut seine Oberfläche das Licht des Sterns absorbiert, sollte seine mittlere Oberflächentemperatur irgendwo zwischen -78 und +11 Grad Celsius liegen. Wobei die Eigenschaften der wahrscheinlich vorhandenen Atmosphäre das alles verändern können. Ohne direkte Beobachtungen lassen sich dazu keine weiteren Aussagen treffen.
Es existiert heute kein Teleskop, das diesen Planeten direkt beobachten könnte. Das sechs Meter große James-Webb-Weltraumteleskop wäre nach seinem Start zwar wahrscheinlich in der Lage, ihn zu beobachten. Aber Ross 128 ist so hell, dass die nötige Beobachtungszeit zu lang wäre, um in den Daten das schwache Lichtsignal des Planeten vom Licht des Sterns trennen zu können. Nach Aussage der Forscher in ihrem Paper wäre aber das im Bau befindliche 39 Meter große European Extremely Large Telescope(öffnet im neuen Fenster) in der Lage, den Planeten zu untersuchen. Das wird aber frühestens 2024 fertig.