Atmosphärenforschung bei Exoplaneten Entdeckung ferner Welten per Spektroskopie

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Die Suche nach Leben jenseits der Erde ist quasi der heilige Gral der Astronomie. Doch zuvor gilt es, überhaupt andere Planeten mit lebensfreundlichen Bedingungen aufzuspüren. Hier helfen empfindliche Messgeräte, die entfernte Sternensysteme mit Spektrographen analysieren.

Heidelberg – Wir sind nicht allein im Universum – jedenfalls nicht mit unserem Planeten. Denn auch andere Sterne in der Galaxis haben ihre eigenen Planeten, von denen sie umkreist werden. Astronomen haben mittlerweile mehrere tausend solcher Exemplare entdeckt. Manche dieser Exoplaneten haben sogar eine vergleichbare Größe wie die Erde und liegen innerhalb der habitablen Zone ihres Sterns. Dort machen die Oberflächenbedingungen also zumindest theoretisch außerirdisches Leben möglich.

Exoplanet in galaktischer Nähe entdeckt

Der Stern Gliese 486 ist ein Beispiel für solch ein entferntes System mit Exoplanet. Mithilfe von Spektrographen des Carmenes-Messinstruments und weiteren Sensoren des Gemini North Teleskops auf Hawaii sowie des NASA-Weltraumteleskops TESS haben Wissenschaftler kürzlich den zugehörigen Exoplaneten Gliese 486b entdeckt – 26 Lichtjahre von der Erde entfernt.

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Praktischerweise bietet Gliese 486b ideale Bedingungen für die Analyse entfernter Planetenatmosphären: Der heiße, felsige Exoplaneten besitzt die 2,8-fache Masse unseres Heimatplaneten und umkreist seinen Stern in einer ähnlichen Entfernung wie die Erde unsere Sonne umkreist. „Die Nähe dieses Exoplaneten ist spannend, weil wir ihn mit leistungsstarken Teleskopen wie dem kommenden James Webb Space Telescope und den zukünftigen Extremely Large Telescopes genauer untersuchen können“, sagt Trifon Trifonov, Planetenforscher am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und Hauptautor des Artikels, in dem die Entdeckung von Gliese 486b vorgestellt wird.

Berechnet man aus den ermittelten Massen und Radien die mittlere Dichte des Planeten, so zeigt sich, dass er eine ähnliche Zusammensetzung wie Venus und die Erde hat, einschließlich eines metallischen Kerns. Jeder, der auf Gliese 486b steht, würde eine Anziehungskraft spüren, die 70 % stärker ist als hier auf der Erde.

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Ein Planet mit zwei Seiten

Gliese 486b umkreist sein Muttergestirn auf einer Kreisbahn innerhalb von 1,5 Tagen und in einem Abstand von 2,5 Millionen Kilometern. Eine Drehung um die eigene Achse dauert genauso lange, dass der Planet seinem Stern stets dieselbe Seite zuwendet. Obwohl der Stern viel lichtschwächer und kühler als die Sonne ist, strahlt er so intensiv auf den Planeten, dass sich dessen Oberfläche auf mindestens 700 Kelvin (ca. 430 °C) aufheizt. Vermutlich ähnelt die Oberfläche von Gliese 486b deshalb eher der Venus als der Erde, mit einer heißen und trockenen Landschaft, die von glühenden Lavaströmen durchzogen ist. Im Gegensatz zur Venus hat Gliese 486b aber möglicherweise nur eine dünne Atmosphäre, wenn überhaupt. Modellrechnungen könnten mit beiden Szenarien übereinstimmen, da die Einstrahlung von Sternen dazu führen kann, dass Atmosphären verdampfen. Gleichzeitig trägt die Schwerkraft des Planeten dazu bei, dass sie erhalten bleibt. Es ist schwierig, das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Beiträgen zu bestimmen.

„Die Entdeckung von Gliese 486b war ein Glücksfall. Hundert Grad heißer und die gesamte Oberfläche des Planeten wäre Lava. Seine Atmosphäre würde aus verdampftem Gestein bestehen“, schildert José A. Caballero vom Centro de Astrobiología (CSIC-INTA, Spanien), Mitautor der Studie. „Wäre Gliese 486b hingegen hundert Grad kälter, wäre er für Folgebeobachtungen ungeeignet gewesen.“

Eine Animation von RenderArea zeigt die Reise zu dem Exoplaneten Gliese 486b:

Wie man eine fremde Planetenatmosphäre bestimmt

Die zukünftigen Messungen, die dem Carmenes-Team vorschweben, nutzen die Bahnorientierung aus, die Gliese 486b dazu veranlasst, aus unserem Blickwinkel die Oberfläche des Zentralgestirns zu kreuzen. Wann immer dies geschieht, scheint ein winziger Bruchteil des Sternenlichts durch die dünne Hülle der Atmosphäre, bevor es die Erde erreicht. Die verschiedenen Verbindungen absorbieren das Licht bei bestimmten Wellenlängen und hinterlassen ihren Fußabdruck im Signal. Mithilfe von Spektrographen spalten die Astronomen das Licht nach Wellenlängen auf und suchen nach Absorptionsmerkmalen, um daraus die Zusammensetzung und Dynamik der Atmosphäre abzuleiten. Diese Methode wird auch als Transitspektroskopie bezeichnet.

Eine zweite spektroskopische Messung, die so genannte Emissionsspektroskopie, ist geplant, wenn Teile der beleuchteten Hemisphäre wie Mondphasen während des Umlaufs von Gliese 486b sichtbar werden, bis er hinter dem Stern verschwindet. Das Spektrum enthält Informationen über die helle, heiße Planetenoberfläche.

„Wir können es kaum erwarten, bis die neuen Teleskope zur Verfügung stehen“, sagt Trifonov. „Die Ergebnisse werden uns dabei helfen zu verstehen, wie gut Gesteinsplaneten ihre Atmosphären halten können, woraus sie bestehen und wie sie die Energieverteilung auf den Planeten beeinflussen.“

Originalpublikation: T. Trifonov, J. A. Caballero, J.C. Morales et al.: A nearby transiting rocky exoplanet that is suitable for atmospheric investigation, Science, 5 Mar 2021, Vol. 371, Issue 6533, pp. 1038-1041; DOI: 10.1126/science.abd7645

* Dr. M. Nielbock, Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), 69117 Heidelberg

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