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Die Grundlagen des Wissens

Milchstraße Leseprobe: Auf der Suche nach der zweiten Erde

Bislang wurden bereits fast 2000 Planeten außerhalb des Sonnensystems gefunden - auf manchen davon gibt es womöglich Leben

Eine Nacht im November 1994. Der Schweizer Astronom Didier Queloz ist allein in der Sternwarte des Observatoire de Haute-Provence in den Bergen Südfrankreichs, als er etwas Ungewöhnliches bemerkt. Der Forscher hat das Teleskop, mit dem er arbeitet, auf den Stern „51 Pegasi“ gerichtet – ein Objekt, das 50 Lichtjahre entfernt und damit in kosmischer Nachbarschaft zur Erde liegt.

Das Instrument zeigt an, dass sich der Himmelskörper höchst ungewöhnlich verhält: Sein Licht ändert permanent die Farbe. Messungen ergeben, dass es sich mal in den rötlichen Bereich, mal in den bläulichen verschiebt, dann wieder zurück in den rötlichen.

Als Astronom ahnt Queloz, was dies bedeutet: Der Stern torkelt, schlingert in winzigen Bewegungen hin und her – und strahlt daraufhin Licht unterschiedlicher Wellenlängen ab. Dahinter verbirgt sich ein physikalisches Phänomen, der sogenannte Doppler-Effekt, den man gemeinhin von Schallwellen kennt. Rast ein Krankenwagen mit Sirenengeheul auf uns zu, klingt der Ton höher, denn der Wagen bewegt sich in die gleiche Richtung wie die Welle. Die staucht zusammen, und ihre Frequenz erhöht sich – die Tonhöhe steigt. Hat er uns passiert, sackt der Klang tiefer. Als ob der davoneilende Wagen die Schallwelle auseinanderzöge, streckt sich die Welle, und ihre Frequenz sinkt. Die Wellen erreichen uns dadurch gedehnt.

Bei Lichtwellen ergibt sich ein vergleichbarer Effekt – nur stellt er sich optisch dar: Entfernt sich ein Stern von uns, erscheint das Licht, das er abstrahlt, rötlicher; bewegt

er sich auf uns zu, ist es bläulicher. Was aber vermag einen Stern wie 51 Pegasi, der immerhin 350.000-mal mehr Masse besitzt als die Erde und damit schwerer ist als die Sonne, derart ins Trudeln zu bringen, dass er sich mal auf die Erde zubewegt, mal von ihr weg? Queloz und sein Kollege, der Genfer Astronom Michel Mayor, stellen eine kühne Behauptung auf: Sie glauben, dass 51 Pegasi von einem Planeten umkreist wird.

Das Trudeln des Sterns führen die Forscher (wie sich später herausstellt: zu Recht) auf die Anziehungskraft zurück, die zwischen Stern und Planet herrscht. Denn so wie beispielsweise die Sonne die Erde anzieht, zieht auch die Erde die Sonne an – nur sehr viel schwächer. Daher bewegt sich nicht nur die Erde auf einer großen Kreisbahn um unser Zentralgestirn, sondern auch die Sonne dreht sich im Zentrum des Planetensystems ein wenig. Und würde man sie aus 50 Lichtjahren Entfernung betrachten, sähe es aus, als torkelte sie. Wie 51 Pegasi.

Mit ihrer Beobachtung glauben Queloz und Mayor erstmals Hinweise gefunden zu haben, dass auch anderswo in der Milchstraße Planeten um Sterne wie unsere Sonne kreisen: extrasolare Planeten (oder Exoplaneten).

Allerdings widersprechen die Messungen der beiden Forscher allem, was Astronomen zu jener Zeit zu wissen glauben. Denn aus der Stärke und Frequenz, mit der 51 Pegasi vor- und zurückschwingt, berechnen die beiden, dass der Planet, der den Stern umkreist, enorm schwer ist: er verfügt über rund 150-mal mehr Masse als die Erde. Zudem braucht er nur gut vier Tage, um seine Sonne zu umrunden. Auf unsere Welt übertragen hieße das, dass alle Jahreszeiten, Sommer, Herbst, Winter, Frühling, jeweils nur einen Tag dauerten.

Leseprobe: Auf der Suche nach der zweiten Erde

Der Wasser-Planet: Erdähnliche Himmelskörper könnten komplett mit Meeren bedeckt sein, die Hunderte Kilometer tief sind. Ein Kandidat dafür ist der 1200 Lichtjahre entfernte Planet Kepler 62f, der möglicherweise mehrere Monde hat

Leseprobe: Auf der Suche nach der zweiten Erde

Wo Eisen vom Himmel fällt: Die Oberfläche des Planeten 51 Pegasi b im Sternbild Pegasus ist vermutlich mehr als 1000 Grad Celsius heiß, denn der Himmelskörper umrundet seinen Stern in nur 7,5 Millionen Kilometer Abstand. In einer solchen Hitzehölle verdampft bei niedrigem Druck selbst Eisen – und regnet womöglich als flüssige Glut hinab

Um derart schnelle Runden zu drehen, muss der Planet seinem Stern überaus nahe sein. Berechnungen ergeben, dass beide Objekte gerade einmal siebeneinhalb Millionen Kilometer voneinander trennen. Zum Vergleich: Die Erde ist rund 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, und selbst der sonnennächste Planet Merkur zieht seine Bahn in einer Distanz von 58 Millionen Kilometern.

Die Folge des geringen Abstands: Die Oberfläche des Himmelskörpers heizt sich vermutlich auf mehr als 1000 Grad Celsius auf. Bei solchen Temperaturen unter niedrigem Druck verdampft Eisen – ein Element, das wahrscheinlich auf 51 Pegasi b (wie die Forscher das Objekt taufen) in großen Mengen vorhanden ist. Kühlt sich der Eisendampf auf der sonnenabgewandten Seite des Planeten ab, müsste es dort ebenso zu regnen beginnen wie auf der Erde – nur fiele kein Wasser vom Himmel, sondern glühendes Metall.

Die spektakulären Erkenntnisse von Queloz und Mayor – die schon bald von anderen Forschern bestätigt werden – lösen ein Fieber unter den Astronomen aus. Fortan widmen sich mehr und mehr Wissenschaftler der Suche nach Exoplaneten im Sternensystem der Milchstraße. Mehrere Tausend möglicher Anwärter haben sie seither aufgespürt, bei nahe täglich wird ein neuer gefun den. Die Forscher gehen heute davon aus, dass es allein in unserer Galaxis viele Milliarden Planeten gibt, die Sonnen umkreisen, dar unter eine Unmenge erdähnlicher Gebilde aus Gestein.

Die drängendste Frage ist zwei felsohne: Existiert auf einer all jener fremden Welten Leben, gibt es gewissermaßen eine zweite Erde? Und wie lässt sich das feststellen?

Wer extrasolaren Planeten auf die Spur kommen will, muss sich raffinierter Tricks und komplizierter Verfahren bedienen. Denn anders als Sterne lassen sich diese nicht direkt beobachten. Während eine Sonne leuchtet, pro­duzieren Planeten kein eigenes Licht. Sie schimmern lediglich schwach im Widerschein jenes Leuchtfeuers, das sie umkreisen (so wie unsere Erde). Doch dieser blasse Glanz wird in der Regel vom grellen Schein des Zentralgestirns verschluckt. Einen Planeten zu entdecken ist daher so, als versuchte man, eine Kerze zu erspähen, die in weiter Ferne vor einem Waldbrand glimmt.

Im besten Fall können Astronomen solche Himmelskörper aufspüren, indem sie den Kern des Sterns im Teleskop mit einer Schablone verdecken, sein grelles Leuchten also abdunkeln. Wird der Stern von einem Planeten umrundet, erscheint dieser – sobald er den viel weniger hellen Kranz des Sterns (die Korona) durchwandert – nun als winziger schimmernder Punkt in der Linse. Lediglich der schwache Widerschein des Planeten gelangt auf die Instrumente der Astronomen.

Damit diese Technik funktioniert, müssen Planet und Sonne jedoch nahe der Erde liegen; nur dann erscheinen sie vergleichsweise weit getrennt am Firmament.

Der große Rest lässt sich nur indirekt nachweisen. Eine Möglichkeit ist die Farbverschiebung, die Queloz und Mayor bei 51 Pegasi feststellten. Mit ihrer Hilfe können Forscher vornehmlich solche Planeten identifizieren, die von der Erde aus betrachtet vor ihrer Sonne vorbei­ziehen. Dann nämlich pendeln die Sterne aus dem Blickwinkel des Betrachters vor und zurück – treffen die Lichtwellen also mal gestaucht, mal gedehnt bei uns ein.

Blicken irdische Beobachter dagegen von unten oder oben auf ein solches solares System, versagt diese Technik. Denn dann sitzt die Sonne in der Mitte der planetaren Kreisbahn, und der Planet umrundet sie, kreuzt also nie die der Erde zugewandte Seite seines Sterns. Zwar torkelt auch diese Sonne aufgrund der gegenseitigen Anziehung hin und her. Doch da sie von uns aus betrachtet seitlich pendelt, nicht aber vor und zurück, erreicht uns ihr Licht mit der immer gleichen Wellenlänge, der gleichen Farbe.

In solchen Fällen können Forscher die winzigen Torkelbewegungen inzwischen mithilfe hochkomplexer Vermessungen des Nachthimmels nachweisen – und so mitunter dennoch auf die Existenz eines Begleiters schließen.

Um die Suche nach Exoplaneten zu vereinfachen, wurde im März 2009 eigens das Teleskop „Kepler“ ins All geschossen. Rund vier Jahre lang suchte es ununter­brochen die Umgebung von rund 200 000 Sternen nach dunklen Begleitern ab. Bei dieser Recherche konnte die Sonde mehr als 3840 Kandidaten aufspüren, wovon bislang 965 Exoplaneten eindeutig identifiziert wurden.

Zwar musste das Teleskop 2013 wegen eines technischen Defekts abgeschaltet werden, doch bis heute werten Wissenschaftler Unmengen von Daten aus und stoßen dabei auf immer neue unbekannte Welten – viele davon ähnlich bizarr wie Pegasi 51 b.

Es sind Welten, so exotisch, dass es sie in unserem Sonnensystem gar nicht gibt. Zwischen den Sternbildern Schwan und Leier etwa spürten Astronomen einen Himmelskörper auf, der zwei Sterne zugleich umkreist. Jeder Tag auf diesem Planeten hat zwei Sonnenaufgänge und untergänge; jedes Objekt auf seiner Oberfläche wirft nicht einen, sondern zwei Schatten.

Im nahegelegenen Sternbild Fuchs fingen Forscher den Schimmer eines Planeten namens HD 189733b ein. Der erschien blau gefärbt – wie die Erde. Allerdings kreist HD 189733b noch dichter um seine Sonne als 51 Pegasi b. Blau erscheint er wohl deshalb, weil er Wolken aus Silikatpartikeln besitzt, die vor allem blaues Licht streuen und aus denen möglicherweise kleine Tropfen aus geschmolzenem Glas herabregnen.

Nur etwa doppelt so groß wie die Erde ist ein Planet, den Wissenschaftler im Sternbild Krebs fanden. Er besitzt eine Masse, die manche Astronomen glauben lässt, dass er zum großen Teil aus Kohlenstoff besteht, der hier und da zu Diamanten zusammengepresst ist. Seen aus Methan und Benzin könnten über einen Untergrund aus Teer oder Graphit schwappen. Hier und da läge vielleicht ein Diamant auf der dunklen Oberfläche. Und so viel Smog gelangt aller Wahrscheinlichkeit nach in die Atmosphäre des Planeten, dass seine Sonne am Himmel wohl nie zu sehen ist.

Noch höllischer muten die Verhältnisse auf einem Gesteinsplaneten im Sternbild Drache an. Forscher glauben, dass der Himmelskörper, der in seiner Größe und seinem Aufbau der Erde ähnelt, einen Ozean hat, größer als der Pazifik. Doch weil der Planet überaus dicht um seinen Stern kreist, ist dieses Meer nicht mit Wasser gefüllt, sondern mit glühender Lava. Zudem benötigt der Planet nicht einmal einen Tag, um seine Sonne zu umrunden. Ein Jahr dauert in dieser Welt also weniger als 24 Stunden.

Im gleichen Sternbild fanden Forscher einen Sonnenbegleiter, der auf mysteriöse Weise nahezu sämtliches Licht verschluckt, das er von seinem Zentralgestirn empfängt. TrES-2b, so der Name des Exoten, reflektiert weniger als ein Prozent der auf ihn fallenden Helligkeit. Damit ist er schwärzer als Pech. Noch kann kein Wissenschaftler erklären, was sich hinter diesem Phänomen verbirgt.

Einer der größten extrasolaren Planeten, die Astronomen bislang entdeckt haben, befindet sich etwa 1400 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Gigant mit dem Namen TrES-4 ist fast dreimal so groß wie Jupiter, wiegt jedoch – gemessen an kosmologischen Maßstäben – fast nichts. Der Planet ist vermutlich derart aufgebläht durch heiße Gase, dass seine Dichte der eines Korkens ähnelt. Er würde auf einem Teich treiben, wäre so etwas möglich.

Den ganzen Text lesen Sie in GEOkompakt Nr. 39 "Die Milchstraße".

Leseprobe: Auf der Suche nach der zweiten Erde

Eine Welt aus Benzin und Diamanten: Im Sternbild Krebs haben Forscher einen Himmelskörper entdeckt, etwa doppelt so groß wie die Erde, der vermutlich vor allem aus Kohlenstoff besteht. Dort könnte es Seen aus Benzin geben und Landschaften aus Teer, die voller Diamanten sind

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GEO KOMPAKT Nr. 39 - 06/2014 - Die Milchstraße
GEO KOMPAKT Nr. 39 - 06/2014
Die Milchstraße
Forscher revolutionieren das Bild unserer kosmischen Heimat