Erstmals Reflexionsspektrum eines Exoplaneten vermessen

Vor zwanzig Jahren sorgte 51 Pegasi b für Furore: Er war der erste Planet bei einem normalen Stern, der von Astronomen entdeckt wurde. Nun steht der fünfzig Lichtjahre entfernte Exoplanet erneut im Rampenlicht. Forscher der Europäischen Südsternwarte ESO testeten an dem Himmelskörper ein neues Verfahren – und konnten damit erstmals das Spektrum des an der Atmosphäre des Planeten reflektierten Sternlichts beobachten. Die Messungen bestätigen, dass es sich bei 51 Pegasi b um einen aufgeblähten Gasplaneten handelt. Zudem zeige der Test, dass das Verfahren künftig zu einem wichtigen Werkzeug für die Untersuchung von Exoplaneten und ihrer Atmosphären werden kann, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Astronomy & Astrophysics“.

„Der Nachweis ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung, denn er macht es möglich, die Masse des Planeten und die Neigung seiner Umlaufbahn zu bestimmen“, erläutert Jorge Martins von der Universität Porto in Portugal. Die Beobachtungen von Martins und seinen Kollegen mit dem speziellen Spektrografen HARPS am 3,6-Meter-Teleskop der ESO in Chile zeigen, dass 51 Pegasi b etwa die Hälfte der Masse des Planeten Jupiter besitzt, vermutlich aber größer als Jupiter ist – typisch für einen „Heißen Jupiter“, einen großen Gasplaneten in einer sehr engen Umlaufbahn um seinen Stern. Der Exoplanet umkreist seinen Zentralstern alle 4,2 Tage in einem Zwanzigstel des Abstands von Erde und Sonne.

Bislang untersuchen Astronomen die Atmosphären von Exoplaneten vor allem mit der sogenannten Transmissionsspektroskopie: Zieht ein Planet – von der Erde aus gesehen – vor seinem Stern vorüber, so geht ein Teil des Sternlichts durch die Atmosphäre des Planeten hindurch. Je nach ihrer chemischen Zusammensetzung absorbiert die Lufthülle dabei einen Teil der Strahlung bei charakteristischen Wellenlängen. Durch die gezielte Beobachtung in diesen Wellenlängen können Forscher die Bestandteile der Atmosphäre identifizieren. Doch diese Methode funktioniert naturgemäß nur bei Exoplaneten, deren Bahnebene genau in der Sichtlinie des Beobachters liegt.

Der Nachweis eines Reflexionsspektrums ist deshalb ein gewaltiger Fortschritt, denn ein solches Spektrum tritt ganz unabhängig von der Orientierung der Umlaufbahn auf. Das am Planeten reflektierte Licht ist allerdings um ein Vielfaches schwächer als das direkte Sternlicht und deshalb nur schwer nachzuweisen und zu analysieren. Martins und seinen Kollegen machten sich zunutze, dass es sich bei dem reflektierten Spektrum um eine schwache Kopie des Sternspektrums handelt, geringfügig verschoben durch die Bahnbewegung des Planeten. Mithilfe eines statistischen Verfahrens gelang es den Forschern, diese Kopie aufzuspüren.

Das für die Messungen verwendete 3,6-Meter-Teleskop ist klein gegenüber dem Very Large Telescope und erst recht gegenüber dem im Bau befindlichen European Extremely Large Telscope, kurz E-ELT, mit seinem Objektivdurchmesser von 39 Metern. Die Wissenschaftler um Martins sehen für ihre Methode daher eine große Zukunft voraus: „Mit der nächsten Generation von Instrumenten – dem Spektrografen ESPRESSO am Very Large Telescope – und Großteleskopen wie dem E-ELT bietet unser Verfahren neue Möglichkeiten, Einblicke in Exoplaneten und ihre Atmosphären zu erhalten.“