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Zweite Erde entdeckt?

Einem amerikanischen Astronomenteam um Prof. Steven Vogt (University of California, Santa Cruz) und Paul Butler (Carnegie Institution, Washington) ist am Keck-Observatorium in Hawai eine möglicherweise historische Entdeckung gelungen. Erstmals wurde ein erdähnlicher Planet in der habitablen (bewohnbaren) Zone um einen Stern gefunden.

Der neuentdeckte Exoplanet, mit der Bezeichnung Gliese 581 g, umkreist in 37 Tagen den 20,5 Lichtjahre entfernten Roten Zwergstern Gliese 581 im Sternbild Waage. Trotz seiner verglichen mit der Erde recht engen Umlaufbahn – die Erde benötigt für einen Umlauf um die Sonne immerhin 365 Tage – bietet der Planet höchstwahrscheinlich lebensfreundliche Bedingungen, denn Gliese 581 hat als roter Zwergstern, verglichen mit der Sonne, eine nur sehr geringe Leuchtkraft.

So könnte Gliese 581 g aussehen. Eine Zweite Erde? Quelle:   http://www.nsf.gov/

Der Planet hat nach Berechnungen der Wissenschaftler den 1,3 – 1,5 fachen Durchmesser und die 3 – 4 fache Masse der Erde. Die Oberflächenschwerkraft wird auf das 1,1 – 1,7 fache der Erde geschätzt. Danach handelt es sich bei Gliese 581 g also um einen Felsplaneten wie die Erde.

Aus der Leuchtkraft des Sterns, die nur 1/50 so groß ist wie die unserer Sonne und dem Abstand des Planeten errechneten die Astronomen eine Oberflächentemperatur zwischen -31°C und -12°C. Das erscheint auf den ersten Blick erst einmal  viel zu kalt, doch auch für unsere Erde ergibt sich nach diesem Verfahren nur ein Wert von -18°C. Erst die Atmosphäre mit den enthaltenen Treibhausgasen sorgt für lebensfreundliche  Oberflächentemperaturen. So könnte es auch auf dem neuentdeckten Exoplaneten sein, denn groß genug für eine ausreichend dichte Atmosphäre ist er ja.  Wegen der recht großen Nähe zu seinem Stern wirken enorme Gezeitenkräfte auf Gliese 581 g. Daher hat der Exoplanet wahrscheinlich nur eine gebundene Rotation. Planeten mit gebundener Rotation drehen sich in genau derselben Zeit um ihre eigene Achse, wie sie für einen Umlauf um ihren Stern benötigen, wenden ihm also immer dieselbe Seite zu. Ein Tag und ein Jahr sind ununterscheidbar, denn einen Wechsel zwischen Tag und Nacht gibt es nicht. Die ewige Tagseite wird sich daher stark aufheizen, die Nachseite wird dagegen bitterkalt. Die Atmosphäre dürfte jedoch für einen gewissen Temperaturausgleich sorgen. Am günstigsten sind die Temperaturverhältnisse wahrscheinlich in den Übergangszonen zwischen Tag- und Nachtseite, dem Terminator.

Neben dem erdähnlichen wurde noch ein weiterer Exoplanet mit mindestens 7 Erdmassen auf einer weiter entfernten Bahn mit einer Umlaufzeit von 433 Tagen entdeckt.  Es handelt sich entweder auch um einen Felsplaneten oder, was wahrscheinlicher ist, um eine kleine Ausgabe des Planeten Neptun. Neben den beiden neuentdeckten Planeten Gliese 581 f und g gibt es noch vier weitere Planeten, zwei davon am inneren bzw. äußeren Rand der habitablen Zone: Für Gliese 581 c, mindestens 5 Erdmassen schwer, mit einer Umlaufzeit von 13 Tagen bewegt sich am inneren Rand der habitablen Zone und ist wahrscheinlich zu heiß, zumindestens für höheres Leben. Zwar ergibt sich rechnerische eine Oberflächentemperatur von beinahe angenehmen +40°C, doch bei Einbeziehung einer Atmosphäre mit Treibhauseffekt kommt man auf 100 – 200°C. Gliese 581 d bewegt sich mit einer Umlaufzeit von 67 Tagen am äußeren Rand der habitablen Zone. Mit 5 – 8 Erdmassen handelt es sich entweder um einen felsigen oder wie bei Gliese 581 f um einen neptunartigen Planeten. Bleiben noch die beiden innersten Planeten: Gliese 581 e ist mit 2 – 3 Erdmassen ein erdähnlicher Felsplanet. Allerdings bewegt er sich mit einer Umlaufzeit von nur 3 Tagen auf einer so engen Umlaufbahn, daß seine Oberfläche glühendheiß ist. Gliese 581 b hat mit 5 Tagen ebenfalls eine sehr kurze Umlaufzeit, hat aber mindestens 16 Erdmassen und ist damit  sicher neptunartig, allerdings viel heißer.

Vergleich des Planetensystems um Gliese 581 mit unserem Sonnensystem. Quelle: http://www.nsf.gov/

Alle 6 Planeten wurden mit der Doppler-Methode gefunden: In einem Planetensystem wirkt nicht nur die Schwerkraft des Sterns auf den ihn umlaufenden Planeten, sondern auch umgekehrt. Deshalb bewegen sich beide Himmelskörper um ihren gemeinsamen Schwerpunkt, der allerdings immer innerhalb des Sternes liegt, da dieser viel schwerer ist als der Planet. Die Bahn des Sternes erscheint von außen nur als leichtes Wackeln, spiegelt aber trotzdem im Kleinen die viel größere Umlaufbahn des Planeten wider. Die Schwierigkeit liegt nun darin, aus einer so großen Entfernung die außerordentlich geringe Bewegung des Sterns zu messen. Eine Möglichkeit ist die spektroskopische Untersuchung des Sternenlichtes unter Nutzung des Doppler-Effekts.

 

Die Doppler-Methode zur Entdeckung von Exoplaneten. Quelle: ESO

Wenn sich der Stern auf seiner winzigen Bahn einmal in Richtung Erde und dann wieder von ihr weg bewegt, werden die von ihm ausgesandten Lichtwellen abwechselnd etwas zusammen und auseinander gezogen. Dadurch werden die Lichtwellen erst zum blauen (kurzwelligen) und dann zum roten (langwelligen) Ende des Spektrums hin verschoben. Aus dieser periodischen Dopplerverschiebung des Lichts können die Astronomen die Bahn des Sterns ermitteln und daraus mit den Newtonschen Gesetzen Masse, Umlaufzeit und den Abstand des Planeten von seinem Stern, ja sogar die Form der Umlaufbahn (kreisförmig oder elliptisch) bestimmen.

Im Falle von Gliese 581 beruhen die Daten auf einer immerhin 11-jährigen Beobachtungsreihe mit dem hochauflösenden HIRES – Spektrographen des Keck I- Teleskops. Hinzu kam der Vergleich mit einer über 4-jährigen Meßreihe mit dem noch höher auflösenden HAARPS Spektrographen am 3,6-m Teleskop des European Southern Observatory (ESO) in La Scilla, Chile.

Da es sich um mehrere Planeten handelt müssen aus der gemessenen Dopplerverschiebungskurve, welche sich aus der Überlagerung der Anteile aller vorhandenen Planeten ergibt, die einzelnen Planeten herausgerechnet  werden. Das gelingt nur durch den Vergleich mit einem Computermodell, welches das Planetensystem rechnerisch abbildet.

Wegen seiner relativen Nähe zur Erde – Gliese 581 gehört zu den 100 sonnennächsten Sternen – ist der neuentdeckte Planet ein echter Kandidat für die Suche nach (höherem?) außerirdischem Leben. Der nächste logische Schritt wäre die Aufnahme eines Spektrums der Atmosphäre von Gliese 581 g. Enthält die Atmosphäre Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf und Spuren von Methan und Kohlendioxid, so wäre das ein deutlicher Hinweis, daß es sich bei Gliese 581 g tatsächlich um einen belebten erdähnlichen Planeten handelt. Insbesondere Sauerstoff und Methan wären da sehr auffällig, da beide Gase zusammen normalerweise sofort miteinander reagieren, und es deshalb Quellen geben muß, welche ständig die durch chemische Reaktionen verbrauchten Anteile nachliefern. Auf der Erde sind das: 1) Die Pflanzen (Algen und Landpflanzen) gewinnen ihre Energie  durch Photosynthese, indem sie unter Verwendung von Kohlendioxid und Wasser Sonnenenergie zum Aufbau energiereicher organischer Verbindungen nutzen. Dabei verbrauchen sie Kohlendioxid (CO2) und setzten Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt in die Atmosphäre frei. 2) Fäulnisbakterien zersetzen zur Energiegewinnung andere abgestorbene Organismen und setzen dabei aus den abgebauten organischen Verbindungen die Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) frei.

Die Entdeckung von Gliese 581 g, eines Exoplaneten in der habitablen Zone um einen Stern nur 20 Lichtjahre von uns entfernt, kann als Hinweis verstanden werden, daß belebte erdähnliche Planeten in unserer und in andern Galaxien vielleicht keine Seltenheit sind. 

Stichwort Exoplaneten: Exoplaneten sind Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, welche nicht unsere, Sonne, sondern einen fremden Stern umkreisen. Die Bildung von Planeten ist eine normale Begleiterscheinung bei der Sternentstehung:

 

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Die Bildung von Planetensystemen  Quelle: Spektrum der Wissenschaft

Ein Stern mit einem Planensystem entsteht aus einer interstellaren Wolke aus Gas (99%) und Staub (1%) mit einem Durchmesser von etwa 1 Lichtjahr. Unter dem Einfluß ihrer eigenen Schwerkraft kollabiert die Wolke und gerät dabei in Rotation. Wegen der Erhaltung des Drehimpulses dreht sich die kollabierende Wolke immer schneller und flacht dabei zu einer protoplanetaren Scheibe ab. Im Zentrum der Wolke nehmen Druck und Temperatur immer weiter zu bis ein Stern entsteht, in dessen Innerem energieliefernde Kernverschmelzungsreaktionen ablaufen. Der Hauptdrehimpuls verbleibt nicht im Stern sondern in der protoplanetaren Scheibe. Diese kühlt im Laufe der Zeit immer weiter ab, und es setzen Kondensationsprozesse ein. Entsprechend der Temperaturverteilung kondensieren in der inneren warmen Scheibe nur schwerflüchtige Elemente (Silikate und Metalle); in der äußeren kühleren Scheibe, jenseits der sogenannten „Schneegrenze“ jedoch auch große Mengen an leichtflüchtigen Elementen (Gase).

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Die protoplanetare Scheibe Quelle: Spektrum der Wissenschaft

Die auskondensierten Teilchen nehmen allmählich an Größe zu und sammeln sich unter dem Einfluß der Schwerkraft und der Bremswirkung des Gases in der Ebene der protoplanetaren Scheibe.Hier herrscht bald ein so großes Gedränge, daß sich die Teilchen immer wieder begegnen und aneinander haften bleiben. Nach und nach wachsen sie erst zu Planetesimalen von mehreren Kilometern Durchmesser und später dann zu richtigen Planeten heran. In er inneren Scheibe bilden sich aus den schwerflüchtigen Elementen die erdähnlichen Felsplaneten aus Gestein und Metallen, während in der äußeren Scheibe aus den schwer- und leichtflüchtigen Elementen die wesentlich größeren neptunartigen oder jupiterartigen Gasplaneten entstehen können, aber auch kleinere Planeten aus Gestein und Eis. Wenn die großen Gasplaneten durch Wechselwirkungen mit dem umgebenden Gas und Staub allzusehr abgebremst werden, wandern sie von der äußeren in die innere Scheibe, wo sie durch ihre Schwerkraft die Bildung der Felsplaneten stören oder bereits vorhandene Felsplaneten aus ihrer Bahn werfen können.

Stichwort Sternenspektrum: Die Analyse des Sternenspektrums ist ein nicht mehr wegzudenkendes Verfahren der Astronomie. Dabei wird das Licht eines Sternes mit einem Prisma oder Beugungsgitter in sein Farbspektrum, also in seine verschiedenen elektromagnetischen Wellenlängen zerlegt. Das Spektrum erlaubt zum Beispiel Rückschlüsse auf die Temperatur des Sterns. Je höher die Temperatur, umso mehr überwiegt das kurzwellige blauviolette Ende des Spektrums, je niedriger die Temperatur, umso mehr das rote langwellige Ende. Daneben erscheinen im Spektrum feine dunkle Linien, die Fraunhofer-Linien. Diese kommen durch Atome in der Sternatmosphäre zustande, welche das über alle Wellenlängen kontinuierliche Sternenlicht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren und dann zerstreuen. Die Fraunhofer-Linien sagen daher etwas über die elementare Zusammensetzung des Sterns aus.

Spektralklassen und Hertzspung-Russel-Diagramm (HRD). Quelle: ESA, Wikipedia

Die meisten Sterne liegen auf der auf der von links oben nach rechts unten verlaufenden Hauptreihe. Die Sonne (Spektraltyp G) liegt in der Mitte der Hauptreihe, die Roten Zwergsterne (Spektraltyp M) unten rechts, die massereichen blau-weißen Sterne (Spektraltypen O und B) oben links. Daneben gibt es aber auch aufgeblähte Rote Riesensterne und ausgebrannte Weiße Zwergsterne abseits der Hauptreihe. Beide sind Spätstadien in der Sternentwickung.

Sterne gewinnen ihre Energie aus Kernverschmelzungsprozessen (Kernfusion), die im Zentrum des Sterns unter extremen Druck und Temperaturverhältnissen infolge der enormen eigenen Schwerkraft ablaufen. Dabei werden winzige Mengen an Sternenmaterie direkt in Strahlungsenergie umgewandelt. Die freigesetzte Strahlung  hält den Stern im Gleichgewicht und verhindert, daß er unter der Last seiner eigenen Schwerkraft in sich zusammenfällt. Da die Kernverschmelzungsprozesse eines Sterns letztendlich durch seine eigene Schwerkraft angefacht werden, sinkt seine Lebensdauer mit zunehmender Masse, da der Kernbrennstoff  dann schneller verbraucht wird und umgekehrt.  Rote Zwergsterne haben deshalb eine längere Lebensdauer als unsere deutlich massereichere Sonne.

Jens Christian Heuer

Quelle: National Science Foundation (http://www.nsf.gov) mit Link zur Originalarbeit

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Kategorien:Exoplaneten
  1. 19/10/2010 um 22:12

    Anscheinend gibt es Zweifel an der Entdeckung – eigentlich nichts ungewöhnliches im Wissenschaftsbetrieb. Interessant ist allerdings, dass es die europäischen Planetenjäger sind, die ihren amerikanischen Kollegen die Entdeckung streitig machen … es bleibt abzuwarten, wie die Debatte ausgeht.

    mehr dazu bei SPIEGEL online:
    http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/0,1518,723165,00.html

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