Cosmic Latte CL005 - Exoplaneten und ihre Besonderheiten
CL005 – Exoplaneten und ihre Besonderheiten
Die Episode über Exoplaneten, ihre Geschichte, Entdeckungsmethoden und ihre Diversität
In dieser Folge widmen wir uns dem aktuellen Thema der Exoplaneten. Teresa gibt einen kurzen geschichtlichen Überblick und erzählt dann etwas über die verschiedenen Entdeckungsmethoden. Am Ende quatschen die Beiden über verschiedene spannendende und verrückte Welten, die es da draußen gibt, nicht zu vergessen, den Exoplanet Poltergeist.
Einleitung und Begrüßung
Bei einer Tasse Tee unterhalten sich Eva und Teresa diesmal über das Thema Exoplaneten. Die letzte Folge über die Titius-Bode Reihe hat die Beiden inspiriert, sich näher mit Planeten in anderen Sternsystemen zu beschäftigen. Teresa hat bereits etwas Erfahrung mit Exoplaneten, da sie vor einem Jahr eine Vorlesung und Übung zu Exoplaneten, wo sie unter anderem über die Beobachtung von Exoplaneten, das auch Hobbyastronomen bereits machen können, lernte. Dieses Jahr besucht sie auch wieder eine Vorlesung zu Planeten und Exoplaneten. Dabei wird sie etwas über die Planetenentstehung, die Architektur und Stabilität der Planetensysteme, deren Atmosphären, Habitabilität, Beobachtungsmethoden und Instrumente, mit denen man Planeten und Exoplaneten beobachten kann, lernen.
Unser Sonnensystem
Beginnen wir bei unserem Sonnensystem. In unserem Sonnensystem gibt es acht Planeten, nämlich Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Davon sind die innersten vier Gesteinsplaneten und die äußeren vier Planeten Gasplaneten.
Was ist ein Exoplanet?
Unter einem Exoplaneten versteht man einen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, also Planeten, die nicht um unsere Sonne kreisen. Die Meisten kreisen um andere Sterne, aber manche irren ohne Stern im Weltraum zwischen den Sternen herum. Diese kreisen ohne Stern um das galaktische Zentrum und haben die unterschiedlichsten Namen, zum Beispiel Vagabunden oder freifliegender Planet, Einzelgänger-Planet, Waisenplanet oder Planemo (planetary mass object), oder im Englischen free-floating planet, interstellar, nomad, orphan, sunless, starless, unbound or wandering planet. Diese Planeten wurden wahrscheinlich aus dem Planetensystem in dem sie entstanden sind, herausgeschleudert oder sie waren nie an einen Stern oder Braunen Zwerg gebunden.
Kurzer geschichtlicher Exkurs zur Exoplanetenentdeckung
Im Jänner 1992 wurden die ersten Exoplaneten (zwei Planeten mit mindestens 3,4 und 2,8 Erdmassen) von Aleksander Wolszczan und Dale Frail um einen Pulsar und weißen Zwerg im Sternbild Virgo entdeckt. Ein Pulsar ist ein kollabierter Überrest eines explodierten massiven Sterns, der die Planeten konstant mit Strahlung bombardiert, weshalb es sehr unwahrscheinlich ist, dass dort Leben entsteht. Ein weißer Zwerg ist der Überrest eines kleineren Sterns.
Im Jahr 1995 wurde dann der erste Exoplanet um einen Hauptreihenstern von Didier Queloz und Michel Mayor gefunden. Die beiden haben dafür im Jahr 2019 auch den Nobelpreis erhalten. Der Planet, mit dem Namen 51 Pegasi b, hat halb so viel Masse wie Jupiter, ist damit aber noch schwerer als Saturn. Zum Vergleich, Jupiter hat 318 Erdmassen. Der Planet umkreist den Stern 51 Pegasi in einer sehr geringen Distanz von nur 0,05 Astronomischen Einheiten (AE, Abstand Sonne-Erde), was weit innerhalb der Merkurbahn liegt. Dort kann er aber nicht entstanden sein, er ist vermutlich weiter weg vom Stern geboren und ist dann nach innen migriert. Durch seine nahe Distanz zum Stern hat er eine Periode von nur 4,23 Tagen, was bedeutet, dass ein Jahr dort innerhalb von ca. 4 Tagen schon vorbei ist, weil der Planet dann einmal die Sonne umrundet hat. Wären wir also auf diesem Planeten, dann wären wir jetzt alle schon sehr alt. Diese Klasse von Planeten, also ein Gasplanet, der sich so nahe zum Stern befindet, wird Hot Jupiter (deutsch: heißer Jupiter) genannt. Dieser Fund stand im Widerspruch zur damaligen Zeit gültigen Annahme, andere Planetensysteme seien ebenso aufgebaut wie unser Sonnensystem, was bedeutet, dass sich die Gesteinsplaneten innen, in der Nähe des Sternes befinden und Gasriesen außen.
Was lernte man also aus dieser Entdeckung? Planeten entstehen nicht dort, wo wir sie entdecken, sondern migrieren. In der protoplanetaren Scheibe ist eine Distanz von 0,04 AE nicht massiv genug, um einen Jupiter großen Planeten zu formen. Der Planet ist viel weiter draußen entstanden und ist im Entstehungsprozess nach Innen migriert. Es ist nicht möglich, dass er so nahe am Stern entstanden ist.
Kurzer Exkurs zur Benennung von Exoplaneten
Die meisten Exoplaneten haben Bezeichnungen, die oft aus langen Nummern bestehen und nur wenige haben Namen, wie die Planeten in unserem Sonnensystem. Der erste Teil des Namens verrät etwas über das Teleskop oder die Studie, die ihn entdeckt hat. Die Nummer danach ist die Reihenfolge, nach der die Sterne nach der Position katalogisiert wurden. Die Kleinbuchstaben am Ende stehen für Planet, in der Reihe, in der die Planeten eines Systems entdeckt wurden. Der erste entdeckte Exoplanet hat am Ende b (z.B. 51 Pegasi b), die darauffolgende Entdeckung wird dann c, d, e, f,… benannt. Wenn zwei Planeten gleichzeitig entdeckt werden, dann wird der Planet, der sich näher am Stern befindet mit b und der Planet, der weiter draußen ist mit c, etc bezeichnet. Somit gibt es manchmal sehr bunte Systeme mit Planeten zum Beispiel in folgender Reihenfolge: e, c, d, b oder ähnlich. Großbuchstaben am Ende einer Benennung stehen dann für den Stern, beginnend mit A, dann B oder C, je nachdem wie viele Sterne es in dem System gibt.
Bsp: Kepler-16b: Kepler ist der Name des Teleskopes, welches das System als erstes beobachtet hat, 16 ist die Reihenfolge in der der Stern katalogisiert wurde und b ist der nächste Planet zum Stern. Würde man in unserem Sonnensystem die Erde nach diesem Schema benennen, so würde sie Sonne d heißen.
Zurück zur Geschichte der Exoplaneten
Seit der ersten Entdeckung stieg die Anzal der entdeckten Exoplaneten exponentiell, vor allem mit dem Launch des Kepler Space Teleskopes, dessen Mission es war, Hunderte von Exoplaneten zu entdecken. Es operierte bis von 2009 bis 2018 und es wurden mehr als 2800 Exoplaneten Kandidaten identifiziert und mehr als 2600 bestätigt.
Andere Weltraummissionen, wie das Spitzer Space Teleskop (2013-2020) wurden zwar anfangs nicht für den Zweck Exoplaneten zu finden gebaut, jedoch erwiesen sich die Infrarot Instrumente als ausgezeichnete Exoplanetenentdecker. Es wurde zum Beispiel das Trappist-1 System entdeckt, welches erdähnliche Planeten beherbergt. 2018 wurde TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) als Nachfolger von Kepler gestartet und hat weiter zur Exoplanetenentdeckung beigetragen. In Zukunft werden das JWST (James Webb Space Telescope) und das zukünftige Nancy Grace Roman Space Telescope sicher noch viele tolle Entdeckungen über Exoplaneten mit sich bringen.
Es gibt von der NASA eine tolle Timeline über die Geschichte der Exoplaneten
Zur Geschichte der Exoplaneten gibt es ein tolles Video von Acapella Science, Trudbol, SamRobson, Gia Mora. Das müsst ihr euch unbedingt ansehen: Whole New Worlds: An Aladdin History of Exoplanets
Aktuelle Daten und Fakten
Aktuell gibt es über 5000 bestätigte Exoplaneten und fast 9000 potentielle Kandidaten, die jedoch noch weitere Beobachtungen benötigen, um bestätigt zu werden . Weiters gibt es über 3870 Planetensysteme.
Um einen Exoplaneten zu entdecken benötigt es oft jahrelange Beobachtungen, um mit Sicherheit zu sagen, dass es ein Exoplanet ist, und man andere Phänomene ausschließen kann.
Methoden
Zur Erforschung von Exoplaneten werden Teleskope auf der Erde und im All verwendet. Es ist jedoch gar nicht so einfach einen Exoplaneten zu entdecken. Er ist weit weg und wesentlich kleiner und leuchtschwächer als sein Heimatstern, der ihn deshalb oft überstrahlt. Daher haben sich die Wissenschaftler einige kluge Beobachtungsstrategien überlegt.
Transitmethode: Die Transitmethode ist eine indirekte Methode, wo die Abdunkelung des Sterns durch den Planeten gemessen. Wenn ein Planet in Sichtrichtung zwischen Beobachter und seinem Heimatsstern vorbeizieht, dann wird ein Teil des Sternenlichts vom Planeten abgeblockt und der Stern erscheint dunkler als zuvor. Obwohl dieser Effekt oft nur sehr gering ist, ist er ausreichend, um einen Planeten um einen anderen Stern zu entdecken. Es ist die Methode mit der in der Astronomie die Meisten Exoplaneten entdeckt und bestätigt wurden.
Radialgeschwindigkeitsmethode: Bei der Radialgeschwindigkeitsmethode haltet man Ausschau nach einem kleinen Wackeln. Die umkreisenden Planeten verursachen ein kleines “Wackeln” des Sterns, da der Massenmittelpunkt des Systems nicht immer im Inneren des Sterns liegt, sondern zwischen Stern und Planet liegen kann. Durch diese Tanzbewegung wird die Wellenlänge des Sternenlichts, welches bei uns ankommt, verändert: Bewegt sich der Stern von uns weg, wird das Licht rot verschoben, bewegt er sich auf uns zu, blau. Dieser Effekt wird auch Dopplerverschiebung genannt, und man kann anschließend das verschobene Spektrum am Computer analysieren.
Direct Imaging: In seltenen Fällen lassen sich Planeten direkt durch das Teleskop beobachten, so wie die Planeten unseres Sonnensystems. Dabei wird das Licht des Heimatsternes abgedeckt, um den Planeten besser zu erkennen. Es reicht jedoch nicht einfach nur ein Bild zu machen, sondern man muss das System eine Zeit beobachten, um zu sehen, ob es sich wirklich um einen Exoplaneten handelt. Bisher hat man jedoch nur eine Handvoll Planeten mit dieser Methode entdeckt, da es äußerst schwierig ist, einen Exoplaneten mit dieser Methode zu entdecken. Diese Planeten sind meist junge Gasplaneten, die sich weit entfernt vom Stern befinden und durch ihr junges Alter noch wärmer sind und im Infraroten Licht strahlen.
2008 wurde das erste Mal ein Planet mit dieser Methode entdeckt. Dieser Planet hat ca. zwei Mal die Jupitermasse und eine Aufnahme war nur möglich, da sich der Planet so weit vom Stern entfernt, bei 115 AE befindet. Dabei wurden jahrelange Beobachtungsdaten gesammelt und im Jahr 2015 wurde er dann als Planet bestätigt.
Mikrolinseneffekt: Normalerweise kommen für Gravitationslinsen nur sehr massereiche Objekte wie Galaxien in Frage, jedoch gibt es bei Planeten einen so genannten Mikrolinseneffekt. Dabei wird das Licht eines weit entfernten Sterns von seinem Planeten gravitativ gebeugt. Wenn der Planet zwischen dem Stern und der Erde vorbeizieht, verhält er sich wie eine herkömmliche Glaslinse und bündelt aufgrund seiner Gravitation das Licht des Sterns zur Erde. Es entstehen dadurch in der Lichtkurve charakteristische Spikes, welche auf diesen Effekt zurückzuführen sind. Hier ein Video, das den gravitativen Mikrolinseneffekt beschreibt.
Follow-up Beobachtungen sind mit der Methode sehr schwierig, da man das nur in dem Moment sieht, dann ist das System jedoch außerhalb der Gravitationslinse und kann nicht mehr beobachtet werden.
Astrometrie: Hierbei kann man winzig kleine Bewegungen des Sterns dazu verwenden, um Planeten nachzuweisen. Der Orbit des Planeten verursacht ein kleines Wackeln beim Stern in Relation zu nahen Sternen am Himmel, wodurch dieser seien Position verändert. Dazu muss man jedoch sehr genau messen, und die genaue Position des Exoplaneten kennen und ist daher für andere Beobachtungen wichtiger.
Am Besten ist es, wenn man mehrere Methoden gleichzeitig verwendet, und sich nicht nur auf eine verlässt. Dadurch können wir einiges über das Exoplanetensystem lernen, ohne sie jemals direkt beobachtet zu haben. Die Techniken, mit denen die meisten Exoplaneten gefunden wurden, sind die Transitmethode und die Radialgeschwindigkeitsmethode.
Hier eine Grafik vom NASA Exoplaneten Archiv, welches durch das California Institute of Technology betrieben wird, unter Vertrag mit den National Aeronautics und Space Administration under the Exoplanet Exploration Program, über die Häufigkeit, mit der die Exoplaneten mit einer der Methoden entdeckt wurden.
Hier gibt’s ein tolles Video zu der Abbildung drüber, wo gezeigt wird, wann Exoplaneten mit einer bestimmten Methode entdeckt wurden.
Welche System-Parameter lassen sich mit den genannten Methoden bestimmen?
Oft können wir die Größe, Masse und Distanz vom Planeten zum Stern bestimmen. Dadurch kann man wiederum auf andere Parameter schließen, z.B. auf die Temperatur, also wie heiß oder kalt es auf dem Planeten ist. Weiters kann man auch die Atmosphäre und deren Zusammensetzung beobachten.
Artenvielfalt an Exoplaneten
Aus diesen vielen Messungen kristallisieren sich verschiedene Arten von Exoplaneten heraus: sie reichen von erdähnlichen Gesteinsplaneten wie die Erde oder Venus bis hin zu gasreichen Planeten wie Jupiter und Saturn. Sie variieren jedoch nicht nur in Masse, Größe und Bahnabstand enorm, sie haben auch oft unterschiedliche Atmosphären, Drücke und chemische Zusammensetzungen. Exoplaneten bestehen im Grunde aus ähnlichen Elementen wie die Planeten in unserem Sonnensystem, aber es ist ganz unterschiedlich was sich dann daraus gebildet hat. Manche Welten sind von Wasser oder Eis dominiert und bestehen aus tiefen Ozeanen, andere wiederum aus Eisen oder Kohlenstoff. Je nach Atmosphäre und Eigenschaften regnet es möglicherweise Silikate bzw. Glas, flüssiges Methan oder andere chemische Verbindungen. Es wurden Lavawelten entdeckt, die von geschmolzenen Meeren bedeckt sind, und Planeten, welche durch die Gravitation der Sonne eiförmig geworden sind. Es gibt sogar puffy Planeten mit der Dichte von Styropor.
Auf der NASA Website gibt es das Exoplaneten Reisebüro, wo man zu den einzelnen Exoplaneten hinfliegen kann. Man kann sich die Bilder auch runterladen und ausdrucken. Es ist so aufgebaut, dass man eine Reise zu einem der Exoplaneten buchen kann und dann fliegt man dorthin. Da kann man die Exotik und den Unterschied zu Sonnensystem und seinen Planeten erkennen. Man sieht wie weit der Planet vom Stern entfernt ist und es gibt auch immer einen kurzen Steckbrief zu den Planeten.
Hier ein paar Beispiele zu Exoplaneten: Kepler 90 besitzt stolze acht Planeten, also so viel, wie in unserem Sonnensystem (Hier ein Vergleich der beiden Systeme). Im Podcast ist hier ein Fehler unterlaufen, es sind nicht sieben, sondern acht Planeten im System Kepler 90. CoRoT 7b, der Höllenplanet, wird so bezeichnet, da er durch seine nahe Distanz zum Stern (~4 Sternradien) eine Temperatur von über 2000 Kelvin auf seiner Tagesseite aufweist. Das ist so heiß, dass bereits Silikate und Metalle zu schmelzen beginnen und sich ein Ozean aus Lava bildet. Das bekannte Trappist 1 System ist Zuhause von einigen erdähnlichen Planeten.
Man sieht, es gibt eine große Vielfalt an Exoplaneten und kaum welche sind wie unsere Erde. Manche liegen sehr nahe bei ihrem Heimatstern, sodass eine Umkreisung und somit ein Jahr nur wenige Tage dauert, andere wiederum sehr weit weg. Wieder andere umkreisen mehrere Sterne, z.B. in einem Doppelsternsystem, oder tote Sterne wie z.B. Pulsare oder schwarze Löcher. Diese könnten eine der ältesten Planeten in unserer Galaxie sein.
Aufgrund dieser enormen Vielfalt werden Exoplaneten prinzipiell in folgende Überkategorien, angelehnt an die Beschaffenheiten unserer eigenen Planeten im Sonnensystem, eingeteilt: Gasriesen, Neptun-ähnliche Planeten, Supererden und terrestrische Planeten. Diese unterscheiden sich im Inneren Aufbau und in der äußeren Erscheinung, je nach ihrer Zusammensetzung.
Gasriesen: Das sind große Planeten in der Größe von Jupiter oder Saturn, die hauptsächlich aus Gas bestehen. Da fällt auch die Klasse der Hot-Jupiters darunter, welche sehr nahe um den Stern kreisen und sehr hohe Oberflächentemperaturen aufgrund ihrer Nähe haben. Bsp: Kepler-16 b
Neptun-ähnliche Planeten: Das sind Gasplaneten mit der ungefähren Größe von Neptun und Uranus mit Wasserstoff oder Helium dominierten Atmosphären und einem Gesteinskern. Mini-Neptune sind eine Untergruppe und sie haben eine Größe zwischen Erde und Neptun. Bsp: OGLE-2005-BLG-390L b
Supererden: Das sind potentielle Gesteinsplaneten, jedoch sind sie größer und massereicher als unsere Erde, aber leichter als Neptun. Dabei können sie Atmosphären haben, müssen es aber nicht. Bsp: Kepler-186 f
Terrestrische Planeten: Das sind Gesteinsplaneten in der Größenordnung der Erde oder kleiner, die meist aus Gestein, Silikaten, Wasser oder Kohle bestehen. Manche haben Ozeane oder Atmosphären und andere mögliche Zeichen von Bedingungen für Leben. Bsp: Trappist-1-e
Poltergeist
Zum Abschluss möchte ich noch kurz über Poltergeist erzählen. Poltergeist, auch bekannt unter PST B1257+12c ist der Exoplanet, der von Aleksander Wolsczan im Jahr 1992 entdeckt wurde. Er umkreist einen Pulsar alle 66,54 Tage in einer Distanz von 0,36 AE. Dieser Planet hat eine geringe Masse (> 4xErdmasse) und man geht davon aus, dass es sich um einen terrestrischen Planeten handelt.
Zur Namensgebung gab es damals eine öffentliche Ausschreibung zur Benennung des Planeten, an der jeder teilnehmen konnte und der Name Poltergeist hat am Ende dann gewonnen. Es gibt eine Website, wo man mitmachen kann, wo es auch immer wieder Ausschreibungen gibt. Die aktuelle läuft noch bis November. Man kann frei einen Namen wählen, der am Besten kreativ ist, er muss begründet sein und ein Name aus der eigenen Sprache sein.
Wer genauer über diese Welt und seine Entdeckung Bescheid wissen will, es gibt eine Podcastfolge von Astrogeo über Poltergeist.
Fazit
Jeden Tag ändert sich die Zahl der bestätigten Exoplaneten. Exoplaneten sind ein brandaktuelles Thema und mit JWST bleibt es spannend und wir werden sicher viel Neues über Exoplaneten entdecken.
Wenn man bedenkt, dass man bisher nur Exoplaneten in einem kleinen Ausschnitt der Milchstraße entdeckt hat, dann wird man mit steigender Auflösung der Teleskope in den nächsten Jahrzehnten noch etliche Entdeckungen machen und unzählige Welten warten noch darauf, entdeckt zu werden.
Weiterführende Links
Auf der NASA Website über Exoplaneten erfährt ihr alle wichtigen Informationen über Exoplaneten.
Ein Überblick über verschiedene Alien-Welten
Posters über verschiedene Planeten
Es gibt auch zwei bekannte Archive, die Daten über Exoplaneten sammeln. Dabei kann man die Kataloge nach den verschiedenen Exoplaneten durchsuchen, es werden aber auch Diagramme gezeigt, in denen man die verschiedensten Daten, wie beispielsweise Masse und die Umlaufperiode gegeneinander plotten kann (siehe hier oder hier)
Tolle Videos (von NASA/Caltech)
NASA’s Exoplanet Superheroes: About some space instruments: Hubble, Chandra, Spitzer, JWST
5,000 Exoplanets: Listen tot he Sounds of Discovery (NASA Data Sonification)
Exoplanets: Weird, Wondrous Worlds
Exoplanet Types: Worlds Beyond Our Solar System
Ein Video über alle Kepler Multi-Planetensysteme, die Kepler Orrery V
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