Entdeckung des ersten Exoplaneten {Physik Nobelpreis 2019}

Heute geht es um die zweite Hälfte des diesjährigen Physik – Nobelpreises: Michel Mayor und Didier Queloz erhalten ihn für die erste Beobachtung eines Exoplaneten!

Was ist ein eigentlich ein Exoplanet und warum ist die Beobachtung eines Vertreters so spannend für die Astrophysik? Unter anderem diese Fragen werden wir heute beantworten!

Die Frage, ob wir allein im Universum sind oder ob es noch woanders Leben gibt, können wir noch immer nicht beantworten und werden es vielleicht auch nie – vielleicht aber auch schneller, als wir heute glauben, vgl. dazu meinen Artikel über Wasserdampf auf Europa. Was wir aber seit 1995 wissen, ist, dass es andere Planeten gibt, die ähnlich unserer Erde um eine Sonne kreisen. Planeten, die nicht unserem Sonnensystem angehören, sondern um eine andere Sonne kreisen, nennt man Exoplaneten. Und genau für die Entdeckung des ersten erhalten Mayer und Queloz dieses Jahr den Nobelpreis. Inzwischen wurden sogar mehr als 4.000 weitere Exoplaneten gefunden und das in einem recht kleinen Teil der Milchstraße.

Mayor und Queloz gaben ihre Entdeckung im Oktober 1995 bei einer Astronomie Konferenz in Itallien bekannt. Der Exoplanet 51 Pegasi b und sein Stern 51 Pegasi sind im Sternbild des Pegasus‘ zu finden, was die Namenswahl erklärt. 51 Pegasi ist 50 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Exoplanet braucht nur 4 Erdentage, um seinen Stern zu umrunden, und das, obwohl er ein riesiger Gasplant ist, etwa vergleichbar mit Jupiter. Gleichzeitig umrundet er seine Sonne sehr nah: Er hat nur einen Abstand von 8 Millionen Kilometern, im Vergleich dazu umrundet unsere Erde die Sonne mit einer Entfernung von 150 Millionen Kilometern. Diese Kombination ist insofern sehr spannend, als dass Astronomen vorher davon ausgegangen waren, dass riesige Planeten wir 51 Pegasi b oder Jupiter weit entfernt von ihrem Stern entstehen müssten. Fremde Sonnensysteme scheinen anderen gesetzen zu gehorchen, als wir sie nach unserem Beispiel abgeleitet hatten.

Kurz nach der Bekanntgabe ihrer Entdeckung überprüften und bestätigten zwei andere Astronomen – Paul Butler und Geoffrey Marcy – die Existenz des Exoplanten. Wenige Monate später fanden sie selbst zwei weitere Exoplaneten. Besonders praktisch für die Beobachtung ist die Tatsache, dass die Exoplaneten einen so kleinen Orbit haben, weil die Umrundungen so gut zu beoabchten sind und man nicht Jahre für eine komplette Umrundung warten muss.

WIe findet man einen Exoplaneten? Die Methode, die zuerst benutzt wurde, wird „radiale Geschwindigkeit – Methode“ genannt. Dabei wird ausgenutzt, dass auch der Stern sich ein wenig bewegt, wenn ein (Exo-)Planet sich um ihn herum dreht, weil die Gravitation des Planeten auch auf den Stern wirkt. Die Bewegung ist minimal, aber sowohl Stern, als auch Planet drehen sich um ein gemeinsames Gravitationszentrum. Für einen Beobachter auf der Erde sieht diese Bewegung aus, als würde der Stern nach vorn und hinten schwanken. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung wird radiale Geschwindigkeit genannt und kann durch den altbekannten Doppler Effekt gemessen werden. Lichtstrahlen, die sich auf uns zu bewegen erscheinen blauer, von uns weg bewegende Strahlen wirken roter. Der Kern der Messungen ist dabei ein Spektrograph, der im Observatorium installiert ist.

Bereits 1977 hatte Mayor seinen ersten Spektrographen auf dem Haut-Provence-Observatorium in der Nähe von Marseille montieren können. Dies ermöglichte eine Messung von Geschwindigkeiten bis etwa 300 m/s, was noch immer zu hoch war, um den Effekt eines Exoplaneten auf seinen Stern zu beobachten. Queloz war zu diesem Zeitpunkt Doktorand und wurde mit anderen beauftragt, eine Verbesserung zu entwickeln. 1994 war es dann endlich möglich, Geschwindigkeiten von 10 – 15 m/s zu messen. Damit war der Weg frei für die Entdeckung des ersten Exoplaneten. Nach der Entdeckung hielten die beiden ihre Entdeckung recht lange geheim, überprüften sie immer wieder und veröffentlichten erst dann, im Oktober 1995, ihre Ergebnisse.

Seitdem haben sich viele Forscher auf die Suche nach weiteren Exoplaneten gemacht, von der Erde aus, von dem Satelliten TESS oder auch vom Kepler Space Telescope (allein letzteres fand über 2.300 Exoplaneten). Inzwischen werden für die Suche nach Exoplaneten nicht nur die Veränderung der radialen Geschwindigkeit gemessen, sondern auch die sogenannte „transit photometry“. Bei dieser Methode misst man die Veränderung der Lichtintensität, wenn der Exoplanet vorne (aus unserem Blick) an seinem Stern vorbei fliegt. Ein Vorteil dieser Methode ist auch, dass durch den Lichtstrahl die Atmosphäre des Planeten untersucht werden kann und Rückschlüsse auf seine Größe gemacht werden können. Gleichzeitig bringt die Methode der radialen Geschwindigkeit die Möglichkeit, die Masse des Planenten zu bestimmen. Kombiniert man beide Methoden, kann man die Dichte und damit die Struktur bestimmen.

Durch die Entdeckung und Forschung von Michel Mayor und Didier Queloz können wir viel Neues über das Universum lernen. Gerade zur Entstehung und Vielfalt der Planeten wurden seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten 51 Pegasi b viele neue Erkenntnisse gewonnen und die Reise ist noch nicht vorbei, eigentlich fängt sie gerade erst an.

 

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