Exoplanet: Eine Welt mit doppelter Erdmasse, aber der Größe des Saturn

Kepler-51b bringt etwa die doppelte Masse der Erde auf die Waage, bläht sich aber auf nahezu die Größe des Saturn auf – eines Planeten, der die Erde um das Hundertfache übertrifft. Genau dieses Missverhältnis zwischen Masse und Größe ist der Grund, warum Exoplaneten, Welten, die andere Sterne als die Sonne umkreisen, die Astronomen, die sie erforschen, immer wieder überraschen.

Vor kaum drei Jahrzehnten hatte noch niemand einen einzigen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bestätigt. Heute sind Tausende katalogisiert, und die Zahl steigt weiter, während Weltraumteleskope und bodengestützte Durchmusterungen die Suche verfeinern. Dieser Leitfaden fasst die Entdeckungen, die Beinahe-Treffer und die Physik zusammen, die Exoplaneten zu einem der lebendigsten Forschungsfelder der Astronomie machen.

Die ersten bestätigten Exoplaneten waren nicht die gemütlichen, erdähnlichen Welten, die die Science-Fiction versprochen hatte. Es handelte sich um zwei Planeten von etwa Erdmasse, die einen Millisekundenpulsar umkreisen – den kollabierten, rasend schnell rotierenden Überrest eines toten Sterns –, die 1992 von Aleksander Wolszczan und Dale Frail bekannt gegeben wurden. Pulsare senden Radiopulse mit einer solchen Präzision aus, dass winzige zeitliche Schwankungen die Schwerkraft unsichtbarer Begleiter verrieten.

Drei Jahre später folgte eine Entdeckung, die vertrauter wirkte. Astronomen fanden 1995 den ersten bestätigten Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Hauptreihenstern – in einer engen, vier Tage dauernden Umlaufbahn um 51 Pegasi. Forscher wiesen ihn mit einem Spektroskop nach, das präzise genug war, um Geschwindigkeitsänderungen von rund 70 Metern pro Sekunde im Licht des Sterns zu erfassen – den schwachen gravitativen Zug eines umlaufenden Planeten, der seinen Stern hin und her zerrt. Diese instrumentelle Präzision, die eine Schwankung erkennt, die langsamer ist als ein zügiger Jogginglauf, machte aus der Suche nach Exoplaneten eine reproduzierbare Wissenschaft statt bloßer Spekulation.

Nicht jeder Exoplanet passt in die ordentlichen Kategorien, die Astronomen anhand unserer eigenen acht Planeten aufgestellt haben. Kepler-51b bringt nur etwa die doppelte Masse der Erde auf die Waage, doch sein Volumen bläht sich auf nahezu die Größe des Saturn auf, eines Planeten, der hundertmal schwerer ist. Ein Planet, der für seine Masse derart aufgebläht ist, muss eine außergewöhnlich geringe Dichte besitzen – ein Hinweis auf eine so ausgedehnte und leichte Atmosphäre, dass sie sich kaum selbst zusammenhält.

Missverhältnisse zwischen Masse und Größe gibt es in beide Richtungen. Unter den Einträgen im Exoplaneten-Archiv der NASA übertrifft keiner HR 2562 b an Masse, der mit etwa der 30-fachen Masse des Jupiter zu Buche schlägt – und Jupiter ist bereits der schwerste Planet unseres eigenen Sonnensystems. Am anderen Ende des Spektrums fand eine breiter angelegte Untersuchung Tausender Exoplaneten ein Muster nicht in ihrer Größe, sondern in ihrer Bewegung: Große Planeten neigen dazu, sich auf elliptischen Bahnen einzupendeln, während kleinere Planeten eher nahezu kreisförmige Bahnen bevorzugen. Niemand plant ein Sonnensystem auf diese Weise; es ist schlicht das Ergebnis dessen, was Schwerkraft und übrig gebliebene Trümmer über Milliarden von Jahren hervorbringen.

Manche Exoplaneten umkreisen ihren Stern nicht nur, sondern lösen sich vor seinen Augen langsam auf. Eine solche dem Untergang geweihte Welt, von Kepler entdeckt, umrundet ihren Zentralstern in nur 16 Stunden und zieht dabei einen kometenähnlichen Schweif aus Staub hinter sich her, der von ihrer eigenen Oberfläche abgekocht wird. Astronomen entdeckten sie nur, weil diese Staubwolke beim Vorbeiziehen periodisch das Sternlicht abdunkelt – eine Signatur, die sich von den sauberen, sich wiederholenden Helligkeitseinbrüchen eines intakten Planeten unterscheidet.

Einen Planeten in diesem Zustand zu erwischen, erforderte die gleichzeitige Beobachtung einer enormen Anzahl von Sternen – genau dafür wurde Kepler gebaut: Das Teleskop überwachte gleichzeitig mehr als 145.000 Sterne und suchte nach der kurzen, schwachen Verdunkelung, die einen transitierenden Exoplaneten anzeigt. Die meisten auf diese Weise entdeckten Planeten verhalten sich normal. Dieser fiel gerade deshalb auf, weil er es nicht tat.

Unter Keplers Entdeckungen erhielt Kepler-452b nicht ohne Grund einen Spitznamen. Der Planet ist etwa 60 Prozent größer als die Erde und umkreist einen Stern vom Typ G2 – derselben groben Klasse wie die Sonne –, nur dass dieser Stern bereits 6 Milliarden Jahre auf dem Buckel hat, ganze 1,5 Milliarden mehr, als unsere eigene Sonne erlebt hat. Jon Jenkins, Leiter der Kepler-Datenanalyse, nannte ihn „einen älteren, größeren Cousin der Erde", der es Wissenschaftlern ermöglicht, „die sich wandelnde Umwelt der Erde zu verstehen und zu reflektieren".

Bemerkenswert an der Umlaufbahn von Kepler-452b ist, wie gewöhnlich sie trotz der größeren Größe des Planeten wirkt: Ein vollständiger Umlauf dauert 385 Tage, nur 5 Prozent mehr, als die Erde für eine Runde um die Sonne benötigt. Man könnte erwarten, dass ein so viel größerer Planet deutlich weiter von seinem Stern entfernt liegt, doch die Zahlen liegen bemerkenswert nah an den vertrauten Werten – eine Erinnerung daran, dass Größe und Bahnabstand nicht automatisch miteinander skalieren.

Das Innere eines Planeten zu verstehen ist schwieriger, als ihn überhaupt erst aufzuspüren, denn kein Teleskop kann durch die Wolken eines Planeten hindurchsehen. Laborexperimente schließen diese Lücke, indem sie die enormen Drücke nachbilden, die tief im Inneren von Gasriesen herrschen. Wird Wasserstoff in Form von Deuterium auf einen Druck von etwa 150 Gigapascal komprimiert, wechselt er von einem transparenten in einen undurchsichtigen Zustand – ein Schwellenwert, der relevant ist, um zu modellieren, was im Inneren massereicher gasriesenartiger Exoplaneten und ihrer Verwandten im Sonnensystem geschieht. Solche Ergebnisse ermöglichen es Astronomen, die gemessene Masse und den Radius eines Planeten in eine fundierte Vermutung über seine innere Struktur zu übersetzen, da zwei Planeten mit identischen äußeren Kennwerten sehr unterschiedliche Innenleben verbergen können.

Es stellte sich heraus, dass auch der sonnennächste Stern einen eigenen Planeten beherbergt. Proxima Centauri b, entdeckt im Umlauf um diesen Nachbarstern, vollendet alle 11,2 Erdentage eine Umlaufbahn in einer Entfernung von nur etwa 0,04848 AE – enger als die Bahn des Merkur um die Sonne. Genau diese Nähe zu seinem Stern hält den Planeten warm genug, um interessant zu sein, obwohl er einen deutlich schwächeren Stern als die Sonne umkreist.

Etwas weiter draußen bei der Suche nach nahegelegenen Planetensystemen lieferte TRAPPIST-1 eine andere Art von Fund. Sein Planetensystem wurde 2016 von einem Team unter Leitung des belgischen Astronomen Michael Gillon anhand von Beobachtungen des La-Silla-Observatoriums in Chile entdeckt und enthüllte eine kompakte Familie von Planeten, die sich um einen kleinen, kühlen Stern gruppieren. Ein ganzes System in einer einzigen Kampagne zu finden, statt einen Planeten nach dem anderen, veränderte, wie Astronomen künftige Durchmusterungen planen.

Jeder bisher besprochene Exoplanet gehört zu unserer eigenen Galaxie. Diese Grenze hielt, bis Forscher NASAs Röntgenobservatorium Chandra mit einer Mikrolinsen-Technik kombinierten und eine weit entfernte Quasar-Galaxie nach den Fingerabdrücken unsichtbarer Planeten absuchten, die deren Licht ablenken. Die Analyse fand Hinweise auf etwa 2.000 extragalaktische Planeten pro Stern jenseits der Milchstraße. Es waren die ersten Daten, die nahelegten, dass unsere eigene Galaxie nur eine Insel unter einer Anzahl von Exoplaneten ist, die eine Billion übersteigt, sobald man über sie hinausblickt – eine Zahl so groß, dass sie einzelne Planeten eher zu einem statistischen Hintergrundrauschen macht als zu einzelnen Objekten, die man einzeln katalogisieren könnte.

Instrumente, die gebaut wurden, um einen einzelnen wackelnden Stern oder eine einzelne dunkler werdende Lichtkurve zu erfassen, waren nie für eine Billion Planeten ausgelegt. Dass dieselben Nachweisprinzipien – winzige gravitative und optische Verzerrungen – von einem einzelnen Sternsystem bis hin zu einer ganzen Galaxie voller Planeten skalieren, sagt ebenso viel über den Einfallsreichtum der Methoden aus wie darüber, wie verbreitet Planeten tatsächlich sind.

Keplers eigene Hardware veranschaulicht, wie viel Präzision diese Jagd erfordert. Sein Hauptspiegel maß 1,4 Meter im Durchmesser, und als Kepler startete, trug kein anderes Teleskop jenseits der Erdatmosphäre einen größeren – ein Rekord, den das Weltraumobservatorium Herschel nur wenige Monate später übernahm. Ein derart großes Instrument zu bauen und es jahrelang auf denselben Himmelsausschnitt zu richten, war der Preis dafür, die schwachen, sich wiederholenden Transits zu erfassen, die einen Planeten von der Größe der Erde verraten.

Jede Generation der Exoplanetenforschung baute auf der vorherigen auf: Das Pulsar-Timing wich stellaren Wackelbewegungen, stellare Wackelbewegungen wichen der Transitphotometrie, die Hunderttausende Sterne gleichzeitig beobachtet, und die Transitphotometrie reicht heute bis zu Galaxien jenseits unserer eigenen. Die nächste Überraschung – sei es ein noch seltsamerer Planet als Kepler-51b oder ein Beleg, der neu definiert, wie verbreitet Planeten tatsächlich sind – liegt wahrscheinlich bereits in Daten, die auf ihre Auswertung warten.

• ScienceDaily: Unter Druck bietet Wasserstoff ein Abbild der Innenwelt von Riesenplaneten
• NASA: Kepler-Mission entdeckt größeren, älteren Cousin der Erde
• Phys.org: Verdampfender Exoplanet wirbelt Staub auf
• National Geographic: Neue Entdeckung legt nahe, dass Exoplaneten auch außerhalb der Milchstraße existieren können
• Wikipedia: Exoplanet
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Kepler-Weltraumteleskop
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1