Extrasolare Planeten auf dem Prüfstand

Unter den Hunderten von bekannten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems befinden sich schon einige aussichtsreiche Kandidaten für lebensfreundliche Welten. In unserem Podcast berichtete Lisa Kaltenegger vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg über die Suche nach einer zweiten Erde. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Inzwischen haben Astronomen mehr als achthundert extrasolare Planeten aufgespürt – und einige Tausend Kandidaten. Bei den meisten handelt es sich bisher um Gasriesen wie Jupiter. Schlicht weil diese wegen ihrer enormen Ausmaße viel einfacher nachzuweisen sind als erdgroße Planeten. Tatsächlich geht man aber davon aus, dass kleine Planeten viel häufiger auftreten als ihre riesigen Gegenstücke. Bislang findet sich allerdings keine zweite Erde unter den bekannten Exoplaneten, doch Astronomen wie Lisa Kaltenegger vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg arbeiten daran.

Lisa Kaltenegger vom Max-Planck-Institut für Astronomie

Kaltenegger: „Was Sie wollen ist ein Felsbrocken, genau im richtigen Abstand zum Stern, damit es da gerade warm genug ist – nicht zu heiß, nicht zu kalt –, sodass es flüssiges Wasser auf der Oberfläche geben kann. Dies ist, wie Biologen sagen, nötig für Leben. Und genau danach suchen wir. Gerade finden wir die ersten Planeten, die solche Möglichkeiten oder Umstände zulassen können.“

Prinzipiell lassen sich solche Bedingungen um jeden Hauptreihenstern finden, zu denen auch unsere Sonne zählt. Diese Sterne durchleben eine mitunter viele Milliarden Jahre andauernde und sehr stabile Phase – ein ideales Umfeld für die Entwicklung von Planeten und vielleicht von Leben. Nachweisen lassen sich die fernen Welten indirekt über ihren Gravitationseinfluss auf den Zentralstern oder indem sie von uns aus gesehen bei jedem Umlauf vor ihrem Stern entlanglaufen und ihn dadurch minimal abdunkeln. Mit diesen Methoden lassen sich zwar Eigenschaften wie Umlaufzeit, Radius oder Masse ableiten, doch das allein reicht nicht aus, um die Lebensbedingungen auf diesen fernen Welten einzuschätzen.

„Venus und Erde sind sich ziemlich ähnlich im Vergleich von Radius und Masse. Aber die beiden Planeten besitzen eine ganz andere Atmosphäre – einer ist habitabel, der andere nicht. Es ist also wirklich wichtig, das Licht von potenziell habitablen Planeten einzufangen, um in der Atmosphäre zu schauen, ob es dort Wasserstoff, Sauerstoff und andere Anzeichen von Leben gibt oder nicht.“

In die Atmosphäre geschaut

Möglich wird das durch Sternlicht, das einerseits direkt von der Oberfläche des Planeten zurückgeworfen wird und anderseits den Planeten aufwärmt, der daraufhin Wärmestrahlung ins All abgibt. Eine Atmosphäre würde im Strahlungsspektrum des Planeten einen charakteristischen Fingerabdruck hinterlassen, da die Atome und Moleküle darin bestimmte Wellenlängen absorbieren. Das vom Planeten ausgehende Licht ist natürlich um ein Vielfaches schwächer als das vom Stern. Im sichtbaren Spektralbereich erreichen uns beispielsweise rund eine Milliarde Mal mehr Photonen vom Stern als vom Planeten.

Transitmethode

„Aber mit großen Teleskopen kann man diese Strahlung aufsammeln: Entweder man blockt den Stern aus, damit man den Stern nicht sieht und den Planeten – das ist ja ein kleiner Punkt daneben – sehen kann. Das nennt man „Direct Imaging“. Oder, wenn der Planet sich vor den Stern schiebt, dann wird ein Teil des Sternenlichts durch die Planetenatmosphäre gefiltert, bevor es zu uns kommt, und sagt uns so auch wieder etwas aus über die Atmosphäre eines Planeten.“

Wegen des schwachen Signals müssen Astronomen einen Planeten fünfzig bis hundert Stunden lang beobachten, um seine Atmosphäre zu analysieren. Im Fall der Transitmethode können sich die Beobachtungen deshalb über viele Jahre ziehen, da ein Planet seinen Zentralstern bei jedem Umlauf nur für wenige Stunden bedeckt. Lassen sich die Planeten direkt beobachten, sind nur zwei bis drei Wochen nötig, um genügend Daten zu sammeln. Bisher gelingt dies aber nur bei Gasriesen.

„Wir lernen an diesen großen Gasplaneten, um dann für die kleinen Planeten zu wissen, wie es geht. Und auf der anderen Seite modellieren wir diese kleinen Planeten, um zu schauen: Wie genau muss unser Instrument messen können, damit wir Spuren von Leben nicht verpassen?“

Von Wüsten- und Ozeanplaneten

Lisa Kaltenegger und ihre Kollegen verwenden dafür Atmosphärenmodelle – ähnlich solchen, die man für die Wettervorhersage auf der Erde verwendet, nur nicht so detailreich. Es lässt sich also nicht sagen wann und wo es auf der fremden Welt regnen wird, aber grundlegende physikalische Eigenschaften, beispielsweise wie das Sternlicht den Planeten aufwärmt und wie dieser das Licht wieder abstrahlt, sind im Modell enthalten. Zunächst gehen die Forscher dabei von bekannten Planeten, vor allem natürlich der Erde, aus.

„Aber dann müssen Sie kreativ überlegen: Wie könnte denn so eine andere Welt sein? Die Planeten, die wir jetzt finden, sind zum Beispiel viel schwerer – bis zu zehnmal die Erdmasse. Was würde das bewirken? Die Gravitation wird stärker, die Atmosphäre zieht sich mehr oder weniger zusammen, weil der Planet stärker an der Atmosphäre zieht. Es wäre also auch schwerer zu gehen, wenn Sie dort wären.“

Die Modelle decken eine breite Palette an virtuellen Welten ab: von Wüstenplaneten bis hin zu Ozeanplaneten, größer oder kleiner, heißer oder kälter als die Erde. Da bislang keine Daten über die Atmosphären von Supererden vorliegen, müssen die Forscher zwar extrapolieren, dennoch gelingen sehr umfassende Vorhersagen. So konnten Lisa Kaltenegger und ihr Team mithilfe von Computermodellen zeigen, dass sich ein riesiger Vulkanausbruch – ähnlich dem 2010 auf Island – im Licht ferner Exoplaneten nachweisen lassen müsste.

Illustration einer fernen Welt

„Wir haben herausgefunden, dass man mit dem neuen Weltraumteleskop James Webb, das nach Hubble ins All kommt, einen riesigen Vulkanausbruch auf fremden Planeten nachweisen könnte – natürlich nur in Sonnennähe, also um andere Sterne, aber nah bei uns. Und das ist wieder sehr, sehr spannend, denn es verrät uns, ob es auf allen Planeten Vulkanausbrüche gibt oder nicht. Ist die Erde speziell? Wenn wir beispielsweise einen jüngeren Planeten sehen, ist der so, wie die Erde damals war? Es lassen sich also Details, die die Atmosphäre verändern, feststellen.“

Auch Lebensformen würden den spektralen Fingerabdruck eines Planeten beeinflussen. Dabei geht man davon aus, dass die Lebensformen auf extrasolaren Welten chemisch ähnlich aufgebaut sind wie in unserem Fall. Denn im Weltall lassen sich überall Wasser und Kohlenstoff beobachten und dürften ebenso wie auf der Erde als Bausteine für das Leben dienen. Der Stoffwechsel der fremden Organismen müsste demnach die typischen Gase hervorbringen, die dann gen Himmel steigen.

„Sie machen immer zwei Modelle. Eines mit und eines ohne Leben, so wie wir es kennen. Für andere Lebewesen wissen wir ja nicht, was sie ein- und ausatmen. Aber für Leben, wie wir es kennen, machen Sie diese Modelle und sehen dann, wie der Planet ausschaut, wenn es dort kein Leben gibt. Und wenn es Leben gibt, dann sehen wir weitere Linien im spektralen Fingerabdruck, die uns sagen, dass es dort Leben gibt.“

Blick in unsere Zukunft

Die Chancen, einen Zwilling der Erde zu finden, stehen gar nicht schlecht. Denn die ersten Hochrechnungen auf der Basis von Daten des Weltraumteleskops Kepler lassen erahnen, dass es um jeden zweiten Stern mindestens einen Planeten gibt. Es scheint also Milliarden von Planeten da draußen zu geben – und damit auch zahllose erdähnliche Exemplare. Doch selbst wenn sich eines Tages Spuren von Leben darauf nachweisen ließen, ob Dinosaurier, Humanoide oder eine völlig andere Spezies dafür verantwortlich sind, bliebe ein ungelöstes Rätsel.

„Rauszukriegen, wie weit entwickelt dieses Leben sein könnte, das ist die nächste spannende und schwere Frage, die sich stellt. Denn Sauerstoff haben schon Bakterien produziert und das heißt, auf der Erde ist das über eine lange Zeit ein Signal von Leben mit einem reduzierenden Gas und Wasser. Aber was genau diesen Sauerstoff produziert, das ist eine große Frage. Die Evolutionsgeschichte einer anderen Lebensform auf einem anderen Planeten nachzubauen, wie die jetzt ausschauen könnte, das ist superkompliziert und auch wieder superspannend.“

Potenzielle Exoplanetenfunde von Kepler

Eine interessante Möglichkeit bieten natürlich industrielle Abgase, die nicht natürlich auftreten und ebenfalls ihre Spuren im spektralen Fingerabdruck hinterlassen. Mit leistungsstarken Teleskopen könnten Außerirdische in der Erdatmosphäre beispielsweise FCKW nachweisen, das früher als Kältemittel in Kühlschränken zum Einsatz kam.

"Und da stellt sich natürlich die Frage, ob es schön sein wird, herauszukriegen, dass alle intelligenten Zivilisationen den gleichen Fehler machen und auch die Atmosphäre zerstören, wie lange es dauert und ob die das alle umdrehen können."

Bevor es aber an die Detailfragen geht, gilt es zunächst einmal, möglichst viele Gesteinsplaneten in der habitablen Zone zu entdecken. Immerhin spürte das Weltraumteleskop Kepler in den vergangenen Jahren bereits etliche Kandidaten auf. Das für 2018 geplante Weltraumteleskop James Webb dürfte in einem Umkreis von bis zu fünfzig Lichtjahren dann Gewissheit bringen.

"Und mit größeren und größeren Teleskopen können wir dann mehr und mehr Informationen über diese anderen Welten liefern und auch unsere Erde in einen Kontext setzen. Denn wir würden dann jüngere Erden sehen, ältere Erden sehen – und so auch einen Blick in unsere Zukunft werfen können."

Mit den Nachfolgern des James-Webb-Teleskops könnte man vermutlich schon ein recht detailreiches Bild von den fernen Welten zeichnen. So ließe sich beispielsweise die Farbe der Atmosphäre ableiten und vielleicht sogar, ob Wälder, Wüsten, Ozeane oder Felsen den Planeten bedecken.

"Das sind Sachen, die in Zukunft – in der nächsten Zukunft hoffentlich – eine Möglichkeit darstellen, um diese anderen Welten zu entdecken und sich solche Bilder machen zu können. Das finde ich wahnsinnig spannend."