Die Vermessung von Exoplaneten

Als im Jahre 1992 der erste Planet, der um einen fremden Stern kreist, bestätigt wurde, war das eine Sensation. Seitdem sind über 4.100 hinzugekommen und die Entdeckung neuer Welten fernab des heimischen Sonnensystems schon fast so etwas wie Normalität. Direkt beobachten kann man sie nicht, dazu sind sie zu weit entfernt. Ein Exoplanet verrät sich aber dadurch, dass er das Licht des Sterns, an dem er vorbeizieht minimal abschwächt, oder in regelmäßigen Abständen ins Rote und Blaue verschiebt (siehe Kasten „Nachweismethoden“). Je größer ein Planet, desto leichter ist er nachweisbar. Erst waren es die Gasriesen, zum Teil größer als der Jupiter, die ihre Existenz preisgaben. Mit besseren Methoden folgten auch immer kleinere. Die Erkenntnisse über ferne Planetensysteme wuchsen.

Und auch die Fragen. „Nach der Entdeckung mehrerer tausend Exoplaneten ist uns klargeworden, dass es weit mehr Typen gibt, als wir sie aus unserem Sonnensystem kennen“, sagt Heike Rauer. Die Professorin für Planetare Geophysik leitet das Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin. „Die Größe allein reicht nicht aus, um auf Gas- oder Gesteinsplanet zu schließen. Dafür ist die Dichte ein wichtiges Kriterium. Und um die zu berechnen, ist der Radius mit möglichst hoher Genauigkeit notwendig“, führt die Physikerin aus. „Deshalb soll CHEOPS die Radien bekannter Planeten außerhalb des Sonnensystems genauer vermessen.“

Einige Dutzend Planeten im Visier

CHaracterising ExOPlanets Satellite, kurz CHEOPS, ist der Name eines Weltraumteleskops der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA, das im Dezember letzten Jahres mit einer Sojus-Rakete vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana ins All startete. In einer Umlaufbahn um die Erde, 700 Kilometer über der Oberfläche, soll das Teleskop bald einige Dutzend Planeten ins Visier nehmen. Dabei konzentrieren sich die Wissenschaftler auf jene, deren Massen bereits durch Beobachtungen von der Erde aus bekannt sind und die um besonders helle Sterne kreisen. Denn das erhöht die Genauigkeit der Messungen.

Die führt das Herzstück des 2,6 Meter hohen und nur etwa 290 Kilogramm schweren Satelliten aus: Ein 1,2 Meter langes Teleskop. Mit seiner 32 Zentimeter großen Öffnung sammelt es das Licht der Sterne und bannt es auf einen Mikrochip. Dafür haben das DLR-Institut für Planetenforschung und das in unmittelbarer Nachbarschaft gelegene DLR-Institut für Optische Sensorsysteme zwei Hardware-Module beigesteuert: das für die Fokalebene, auf dem das einfallende Licht ein scharfes Bild abgibt und das für die Steuerelektronik des Aufnahmesensors. „CHEOPS nimmt Bilder des Sterns während mehrerer Planetentransits auf“, erklärt Rauer. „Die Helligkeitsschwankungen dienen uns als Grundlage für die Datenauswertung.“ Auch an dieser sind die beiden DLR-Institute beteiligt und steuern ihre umfangreiche Expertise bei.

Das Sonnensystem: eines unter vielen oder doch ein Exot?

Aktuell befindet sich CHEOPS noch in der Vorbereitungsphase für die eigentlichen Messungen. „Die Systeme werden zurzeit getestet“, erzählt Rauer. „Zunächst werden Schwarzbilder gemacht – also Aufnahmen bei geschlossenem Teleskop.“ Das ist in der Astrofotografie üblich, um Referenzbilder für Eigenheiten des Kamerasensors wie beispielsweise Rauschen zu erhalten. „Bisher ist alles vielversprechend“, verrät Rauer. „Der wirklich große Moment einer solchen Mission ist aber, wenn die Teleskopabdeckung verschwindet und das erste Foto des Himmels geschossen wird.“

Denn sobald die ersten Daten verfügbar sind, können die verschiedenen Forschergruppen ihren Fragestellungen nachgehen. Wie groß sind die Planeten genau? Woraus bestehen sie und wie sieht ihre innere Struktur aus? Wie wird die Energie in der Planetenatmosphäre transportiert? Oder auf welchen Planeten lohnt eine genauere Suche nach Schlüsselmolekülen in der Atmosphäre? Dies sind nur einige der Fragen, zu deren Beantwortung CHEOPS in den kommenden dreieinhalb Jahren beitragen soll. Rauer ist schon sehr gespannt: „Wir Planetologen konnten früher nur die Planeten um unsere Sonne untersuchen. Jetzt richten wir den Blick auf andere Sterne. Das finde ich äußerst faszinierend. Nun wird sich zeigen, ob das Sonnensystem in Form und Aufbau eines von vielen ist oder eher ein Exot in der kosmischen Nachbarschaft.“

Nachweismethoden

Auch wenn die ersten Exoplaneten mittlerweile direkt beobachtet wurden, verraten sich die allermeisten von ihnen indirekt – durch die Wechselwirkung mit ihrem Stern. Astronomen haben verschiedene Methoden entwickelt, durch winzigste Veränderungen der fremden Sonnen nicht nur auf die Existenz ihrer Begleiter zu schließen, sondern auch deren Parameter wie Größe, Masse, Entfernung zum Zentralgestirn oder Umlaufzeit zu bestimmen.

Die Transitmethode beispielsweise nutzt die Tatsache, dass ein Planet seinen Stern ein wenig abdunkelt, wenn er von der Erde aus gesehen vor ihm entlangzieht. Mit dem bloßen Auge ist diese Mini-Sternenfinsternis natürlich nicht zu sehen. Lichtstarken Teleskopen auf der Erde oder speziellen Satelliten im Orbit gelingt dies aber schon. Aus den Helligkeitsschwankungen lässt sich der Planetenradius bestimmen. Das funktioniert so gut, dass 80 Prozent aller bisher entdeckten Planeten auf das Konto der Transitmethode gehen.

Genaugenommen bewegen sich Planeten nicht exakt um ihren Stern, sondern mit diesem um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Die fremde Sonne dreht also keine perfekten Pirouetten, sondern vollführt eher einen Eiertanz. Dadurch besitzt der Stern einen in die Tiefe gerichteten Bewegungsanteil – also auf einen irdischen Beobachter weg und wieder zu ihm hin. Diese Radialgeschwindigkeit sorgt dafür, dass das Licht des Sterns periodisch in Richtung Blau und dann wieder in Richtung Rot verschoben wird. Anhand dieses Dopplereffekts lässt sich die Existenz von Planeten nachweisen, und ihre minimale Masse abschätzen.

Letzteres gelingt auch mit der astrometrischen Methode. Dabei spielen die relativen Sternörter eine Schlüsselrolle. Das ist die Position eines Sternes, die er zu einem Referenzstern theoretisch einnehmen sollte. Ein Planet zerrt ein ganz klein wenig an seinem Stern und verändert dadurch die Position zur Referenz. Mit dem Wissen über Sternenmasse und Entfernung zur Erde lässt sich die Masse eines planetaren Begleiters errechnen. Das europäische Weltraumteleskop GAIA, dass seit 2013 im All kreist, setzt auf die astrometrische Methode.

CEOPS: Die Vermessung extrasolarer Planeten