Wissenschaftler enthüllen erstmals Bilder von mehreren Planeten um einen sonnenähnlichen Stern

Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, Bilder von mehreren Planeten zu machen, die um einen anderen sonnenähnlichen Stern kreisen. Trotz der Ähnlichkeit des Sterns mit unserem eigenen, zeigen die Aufnahmen dieses Planetensystems, dass es nicht wie zu Hause ist.

Der Stern mit dem Namen TYC 8998-760-1 befindet sich etwa 300 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Musca und hat eine ähnliche Masse wie unsere Sonne. Seine beiden bekannten Planeten sind jedoch eindeutig außerirdisch – sie umkreisen ihren Stern in einer Entfernung, die etwa 160 bzw. 320 Mal so groß ist wie der Abstand zwischen Erde und Sonne (das ist etwa vier- bzw. achtmal so groß wie der Abstand zwischen Pluto und unserer Sonne). Beide Welten sind im Vergleich zu allem in unserem Sonnensystem überdimensional groß. Der äußerste Planet ist etwa sechsmal so schwer wie der Jupiter, und der innere hat die 14-fache Masse des Jupiters. Jede der Welten erscheint als kleiner Punkt um den Stern auf den Bildern, die mit dem SPHERE-Instrument (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research) am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Nordchile aufgenommen wurden. Die Ergebnisse werden in einer Studie beschrieben, die am 22. Juli im Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde.

„Das wirklich Faszinierende an dieser Arbeit ist, dass sie die enorme Vielfalt der Systeme und Planeten da draußen, die alle möglichen Sterne umkreisen, weiter vergrößert“, sagt Rebecca Oppenheimer, eine Astrophysikerin am American Museum of Natural History in New York City, die nicht an der Studie beteiligt war. „Es gibt keine einheitliche ‚Architektur‘ für ein Planetensystem.“

Die neue Studie ist erst das dritte Mal, dass es Wissenschaftlern gelungen ist, mehrere Welten, die einen einzigen Stern umkreisen, zu fotografieren oder direkt abzubilden. Die bisher beobachteten Systeme kreisen jedoch um Sterne, die entweder viel schwerer oder leichter als die Sonne sind, so dass sie mit unserem Sonnensystem weniger vergleichbar sind. Direkte Aufnahmen sind bei der Erforschung von Welten außerhalb unserer planetarischen Nachbarschaft nach wie vor eine Seltenheit. Die überwiegende Mehrheit der Exoplaneten in den Katalogen der Astronomen ist nur auf indirekte Weise bekannt: Sie verraten ihre Anwesenheit und ihre grundlegenden Eigenschaften – Masse, Größe und Umlaufbahn -, indem sie von der Erde aus gesehen regelmäßig an ihren Wirtssternen zerren oder sich von ihnen abheben. Die direkte Abbildung von Exoplaneten ist wichtig, sagt der Leiter der Studie, Alexander Bohn, Astrophysiker an der Universität Leiden in den Niederlanden, denn „durch den Empfang des Lichts von Planeten können wir die Atmosphären – und die Elementhäufigkeiten der Atmosphären – und die Zusammensetzung besser charakterisieren“. Diese Informationen wiederum ermöglichen es den Forschern, fundiertere Vermutungen über die Umweltbedingungen einer fremden Welt anzustellen – und darüber, ob sie, wie die Erde, Leben beherbergen könnte.

Niemand zieht jedoch Leben auf einer der beiden neu aufgenommenen Welten in Erwägung. Sie sind nicht nur aufgeblähte Gasriesen in kalten Umlaufbahnen ohne nennenswerte Oberflächen, auf denen Organismen leben könnten, sondern sie und ihr Stern sind auch viel jünger als unsere Sonne und die Planeten um sie herum. „Das System selbst ist 17 Millionen Jahre alt“, sagt Bohn. „Und unser Sonnensystem ist 4,5 Milliarden Jahre alt.“ Selbst wenn sie bewohnbar wären, würde der relativ neue Status jeder Welt nicht viel Zeit für die Entstehung einer Biologie aus den Unwägbarkeiten der Chemie bieten. Und obwohl die Größe und Jugend der Planeten sie zu schlechten Kandidaten für Leben, wie wir es kennen, macht, sind diese Eigenschaften genau der Grund, warum die Astronomen sie derzeit überhaupt sehen können, und zwar wegen des starken Infrarotlichts, das sie als Energiereste aus ihrer Entstehung aussenden. Kleinere, ältere, sanftere Welten, die sich näher an ihren Sternen befinden, bleiben außerhalb der Reichweite der derzeitigen Planetenbeobachter. Sie könnten jedoch mit Hilfe leistungsfähigerer Instrumente in gigantischen Teleskopen entdeckt werden. Bereits drei extrem große Teleskope (ELTs) – bodengestützte Observatorien mit Spiegeln in der Größenordnung von 30 Metern Durchmesser – befinden sich in der Endphase ihrer Entwicklung. Und Astronomen setzen sich nachdrücklich dafür ein, dass die NASA oder andere Raumfahrtbehörden in den kommenden Jahrzehnten noch ehrgeizigere Weltraumteleskope zur Abbildung von Planeten in Betrieb nehmen.

Allerdings „sind wir unglaublich weit davon entfernt, Bilder von erdgroßen Planeten zu machen“, sagt Bruce Macintosh, Astrophysiker an der Stanford University und leitender Forscher am Gemini Planet Imager – einem weiteren Instrument, das zusammen mit SPHERE den Stand der Technik bei der Aufnahme exoplanetarer Objekte darstellt. „Mit der heutigen Technologie können wir einen Planeten sehen, der etwa eine Million Mal schwächer ist als der Stern. Das ist erstaunlich. Aber selbst der Jupiter – die größte Welt in unserem Sonnensystem – ist eine Milliarde Mal schwächer als die Sonne.“

Ob ein Zielplanet neben einem hellen Stern eine riesige Gaskugel oder ein eher erdähnliches Gestein ist, sagt Bohn, die Beobachtung sei wie „ein Glühwürmchen direkt neben einem Leuchtturm, der vielleicht einen Meter entfernt ist. Sie wollen dieses winzige Glühwürmchen sehen, und Sie sind 500 Kilometer entfernt. Das ist im Grunde die Herausforderung, mit der wir es zu tun haben.“ Um das im Vergleich zu seinem Stern extrem schwache Licht einer Welt zu erfassen, verwenden SPHERE und die meisten anderen Instrumente zur Planetenbeobachtung ein Gerät, das als Koronagraph bezeichnet wird und das fast das gesamte Licht des Sterns ausblendet, so dass die Blendung durch den „Leuchtturm“ gedämpft wird und die „Glühwürmchen“ des Planeten in der Nähe sichtbar werden.

Neben nuancierteren Details einer beliebigen Welt können solche Bilder auch andere Wunder offenbaren – und wichtige neue Rätsel aufwerfen -, die das noch junge Verständnis der Theoretiker über die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen auf den Kopf stellen. In dem neu aufgenommenen System „haben sich beide Planeten um denselben Stern gebildet und sind gleich alt, aber der eine ist doppelt so massiv wie der andere“, sagt Macintosh, der nicht an der Studie beteiligt war. „Der Vergleich ihrer Eigenschaften wird uns helfen zu erkennen, wie die Massen der Planeten ihre Entwicklung beeinflussen.“ Außerdem, so Macintosh weiter, könnten spätere Aufnahmen des Systems mehr über die Umlaufbahnen der Planeten verraten – und sogar über das Vorhandensein von bisher noch nicht gesehenen Welten. „Sind sie so ausgerichtet, wie die Planetenbahnen in unserem Sonnensystem? Sind sie kreisförmig?“ fragt Macintosh. Die Antworten auf solche Fragen könnten zeigen, ob diese Planeten auf die gleiche Weise wie die Welten um unsere Sonne oder durch einen anderen Prozess entstanden sind – und damit einen weiteren Hinweis darauf geben, ob Planeten und Systeme wie das unsere häufig oder selten sind.