Die Suche nach der zweiten Erde
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Astronomiefreunde Waghäusel Die Suche nach der zweiten Erde Planeten um fremde Welten Astronomiefreunde Waghäusel Ein Exoplanet, was ist das? • Ein extrasolarer Planet, kurz Exoplanet, ist ein Planet außerhalb (griech. ἔξω) des vorherrschenden gravitativen Einflusses der Sonne (lat. sol). • Extrasolare Planeten gehören also nicht unserem Sonnensystem an, sondern einem anderen Planetensystem bzw. umkreisen einen anderen Stern. Astronomiefreunde Waghäusel Ist unser Sonnensystem etwas besonderes? • Der Blick an den Nachthimmel ist ein Blick in die Weiten des Weltalls. • Jeder einzelne Stern, den wir sehen ist eine Sonne, ähnlich unserer Sonne. • Haben diese Sterne auch Planeten? • … und wenn ja, gibt es Leben dort? Astronomiefreunde Waghäusel Ist unser Sonnensystem etwas besonderes? • Diese Fragen beschäftigen Astronomen und NichtAstronomen seit Anfang des 20. Jahrhunderts, als das Wesen der Sterne erkannt wurde. • Etwa zur gleichen Zeit stellten Astronomen fest, dass alle Sterne, die wir am Nachthimmel sehen, Teil unserer Heimatgalaxis, der Milchstraße sind … Astronomiefreunde Waghäusel Ist unser Sonnensystem etwas besonderes? • Diese besteht aus mehreren hundert Milliarden Sterne • … und es gibt unzählige weitere solcher Galaxien in den Tiefen des Universums. Astronomiefreunde Waghäusel Ist unser Sonnensystem etwas besonderes? Vermutlich gibt es mehr Sterne im Universum, als Sandkörner in den Wüsten der Erde. Astronomiefreunde Waghäusel Ist unser Sonnensystem etwas besonderes? • Ist es da nicht wahrscheinlich, dass wenigstens um einige dieser unzähligen Sterne Planeten ihre Bahnziehen? • Aber kann man solche Planeten überhaupt nachweisen? Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten • Die Fragestellung Ausgangs des 20. Jahrhundert war: • Angenommen, es gäbe Planeten auch in anderen Sternsystemen, wie ließen sich diese beobachten bzw. nachweisen? • Prinzipiell gibt es dafür mehrere Möglichkeiten – durch indirekte Beobachtung – durch direkte Beobachtung Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Direkte Beobachtung • Sterne sind sehr weit von uns entfernt. • Der Abstand zum nächsten Nachbarn beträgt 4,3 Lichtjahre. • Die Bahn eines Planeten erscheint uns daher sehr klein und ein Planet stünde deshalb immer sehr nahe des Sterns. • Die Hauptschwierigkeit eines Nachweises besteht darin, dass der helle Stern den nahe stehenden Planeten völlig überstrahlt. Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Direkte Beobachtung • Mittels dieser Methode kann man bevorzugt folgende Planetentypen nachweisen: – Planeten mit großer Bahnhalbachse – Große Planeten Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Indirekte Beobachtung • Für die Indirekte Beobachtung stehen folgende Methoden zur Verfügung: – Transit-Methode oder Durchgangs-Methode – Radialgeschwindigkeits-Methode – Astrometrische Methode – Gravitationslinsen-Methode – Berechnung gestörter Planetenbahnen Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Transit-Methode • Ist die Umlaufbahn eines Planeten von der Erde betrachtet im Weltraum so gelagert, dass der Planet hin und wieder vor seinem Stern vorbeizieht, so verfinstert er ein kleines Stück des Sterns. • Der Stern wird dann bei seiner Beobachtung für die Dauer des Transits etwas lichtschwächer. Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Transit-Methode • Schwierigkeiten beim Nachweis: – Planet oder „Sonnenfleck“? – Ereignis ist nur kurz zu sehen. – Geringe Wahrscheinlichkeit der exakten Bahnlage. – Geringer Helligkeitsabfall, der noch dazu von anderen Störungen überlagert ist (Erdatmosphäre, Variabilität des Sterns). Corot Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Transit-Methode • Mittels dieser Methode können bevorzugt folgende Planetentypen nachgewiesen werden: – Planeten mit kleiner Bahnhalbachse – Planeten mit kurzen Umlaufdauern – Große Planeten Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Radialgeschwindigkeits-Methode • Hat ein Stern einen planetaren Begleiter, so umkreisen beide Körper einen gemeinsamen Schwerpunkt. • Der Planet zieht also an seinem Stern. • Dies bewirkt, dass der Stern je nach Bahnlage des Planeten sich rhythmisch auf uns zu und dann wieder von uns weg bewegt. Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Radialgeschwindigkeits-Methode • Analysiert man dabei das Licht das Sterns, so kann man im selben Rhythmus eine rot- bzw. eine Blauverschiebung seiner Spektrallinien erkennen. • Aus dieser indirekten Beobachtung kann auf das Vorhandensein eines Begleiters geschlossen werden, ohne diesen selbst zu beobachten. Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Radialgeschwindigkeits-Methode • Schwierigkeiten beim Nachweis: – Spektroskope mit hoher Auflösung sind notwendig, da der Effekt gering ist. – Effekt ist abhängig von der Bahnlage des Planeten relativ zur Erde. – Massebestimmung des Planeten setzt Kenntnis der Bahnlage voraus. – Planet oder Pulsation des Sterns? Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Radialgeschwindigkeits-Methode • Mittels dieser Methode können bevorzugt folgende Planetentypen nachgewiesen werden: – Planeten mit kleiner Bahnhalbachse – Massereiche Planeten Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Astrometrische-Methode • Der selbe Effekt wie bei der RadialgeschwindigkeitsMethode führt je nach Banlage zu einer Ortsveränderung des Sterns. • Durch hochgenaues Vermessen der Sternposition kann dadurch auf die Existenz eines Planeten geschlossen werden. Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Astrometrische-Methode • Schwierigkeiten beim Nachweis: – Setzt extrem gute Positionsbestimmung und Ortsauflösung der Messanordnung voraus. (Die Sonne „wackelt“ z. B. durch die Anziehungskraft der Erde um ca. 500 km hin und her) – Begrenzung auf sehr nahe Sterne Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Astrometrische-Methode • Mittels dieser Methode können bevorzugt folgende Planetentypen nachgewiesen werden: – Planeten mit großer Bahnhalbachse – Massereiche Planeten Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Gravitationslinsen-Methode • Unter Microlensing versteht man die Verstärkung des Lichts eines Hintergrundobjekts durch Gravitationslinsenwirkung eines Vordergrundsterns. • Die Verstärkung nimmt zu und wieder ab, während sich der Stern vor dem Hintergrundobjekt vorbeibewegt. • Dieser Helligkeitsverlauf kann durch einen Planeten des Vordergrundsterns eine charakteristische Spitze erhalten. Astronomiefreunde Waghäusel Nachweis von Exoplaneten Berechnung gestörter Planetenbahnen • Diese Methode setzt voraus, dass in einem Sternsystem bereits mindestens ein Planet bekannt ist. • Durch Einflüsse eines weiteren Planeten kann dessen Bahn gestört sein. • Das Erkennen einer solchen Störung wäre ein Indiz für einen weiteren Planeten. Astronomiefreunde Waghäusel Entdeckungen • Der erste Exoplanet in einem Orbit um einen sonnenähnlichen Stern wurde 1995 von Michel Mayor und Didier Queloz mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt. • Der Planet 51 Pegasi b kreist im 4,2-TageTakt um den ca. 40 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern 51 Pegasi (Sternbild: Pegasus) und hat 0,46 Jupitermassen. Astronomiefreunde Waghäusel Entdeckungen • Die allermeisten der heute bekannten fast 500 Exoplaneten wurden mittels der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt. • Die Auflösung der Spektrographen Mitte der 90er Jahre lag bei einer Radialgeschwindigkeit von rund 1 m/s. • Um bei unserer Sonne diese Geschwindigkeit hervorzurufen, müsste ein Planet auf Erdbahn 11 Erdmassen haben. Astronomiefreunde Waghäusel Entdeckungen • Heute sind die Methoden deutlich ausgereifter und empfindlicher. • Dadurch lassen sich mit der RGM heute sehr viel leichtere Planeten nachweisen. • Der leichteste bisher nachgewiesene Planet hat nur 1,9 Erdmassen und ist nicht viel größer als die Erde. Astronomiefreunde Waghäusel Entdeckungen Astronomiefreunde Waghäusel Entdeckungen Neben Einfach-Systemen konnten in mittlerweile 47 Systemen mehr als ein Planet nachgewiesen werden. Darunter 1 System mit 5 Planeten. Das Modell „Sonnensystem“ scheint also mitnichten ein Einzelfall zu sein. Astronomiefreunde Waghäusel Entdeckungen Direkte Beobachtung • Am 10. September 2004 gab das ESO bekannt, dass möglicherweise erstmals eine direkte Aufnahme eines Planeten beim 225 Lichtjahre entfernten Braunen Zwerg 2M1207 gelungen ist. • Nachfolgemessungen mit dem HubbleWeltraumteleskop 2006 konnten dies bestätigen. Astronomiefreunde Waghäusel Erkenntnisse • Die bisher entdeckten Planetensysteme zeigen zumeist riesige Gasplaneten, die oft in unmittelbarer Nähe zu ihrem Zentralstern stehen. • Sie werden wegen ihrer Größe und den herschenden Temperaturen von teils über 1000 °C gerne „Hot Jupiter“ genannt. • Dies ist jedoch ein Effekt, der durch die technischen Möglichkeiten heutiger Beobachtung begünstigt ist. Astronomiefreunde Waghäusel Erkenntnisse • Aber auch kleinere Planeten wurden bereits entdeckt, die sich teilweise sogar in der sog. habitablen Zone, also dem bewohnbaren Bereich, ihres Zentralsterns bewegen. Astronomiefreunde Waghäusel Erkenntnisse Astronomiefreunde Waghäusel Erkenntnisse Astronomiefreunde Waghäusel Erkenntnisse Astronomiefreunde Waghäusel Erkenntnisse Astronomiefreunde Waghäusel Quo Vadis Planetologie? Direkte Beobachtung! • Man versucht natürlich für die direkte Beobachtungen optimale Bedingungen zu schaffen. • Im sichtbaren Licht strahlt beispielsweise der Zentralstern millionenmal heller als ein umkreisender Planet. • Im Infrarotlicht erscheint der Zentralstern „nur“ einige tausend mal heller. • So geht der Trend für die direkte Beobachtung zur Infrarotbeobachtung. Astronomiefreunde Waghäusel Quo Vadis Planetologie? Direkte Beobachtung! • Selbst der Abstand von millionen von Kilometern vom Zentralstern erscheint über eine Strecke von Lichtjahren winzig klein. • Eine hohe Auflösung ist daher gefordert, wie sie nur durch riesige Teleskope oder die Interferometrische Zusammenschaltung mehrerer Teleskope möglich ist. Astronomiefreunde Waghäusel Quo Vadis Planetologie? Direkte Beobachtung! Ein Ansatz dafür ist das in Planung befindliche europäische Riesenteleskop E-ELT mit 42 Metern Spiegeldurchmesser. Es soll 2018 in Betrieb gehen. Astronomiefreunde Waghäusel Quo Vadis Planetologie? Direkte Beobachtung! Ein anderer Ansatz der ESA ist die in Planung befindliche Anordnung aus mehreren Einzelteleskopen, welche auf synchron laufenden Satelliten montiert sind (DARWIN, ca. 2014), oder der NASA (Planet Imager), mit denen Planeten direkt abgebildet werden sollen. Astronomiefreunde Waghäusel Was werden uns die neuen Teleskope bringen? • Direkte Abbildung extrasolarer Planeten(systeme). • Höhere Messgenauigkeiten, die genauere Aussagen über die Geometrien zulassen. (Größe, Masse, Temperatur der Planeten) • Spektroskopische Beobachtungen extrasolarer Planeten, welche das Aufspüren von möglichen Hinweisen auf Lebensformen ermöglicht (Signaturen von Ozon, Wasser und CO2).
