Neue Methode offenbart 18 erdgroße Exoplaneten in alten Kepler-Daten

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Fast alle bisher bekannten Exoplaneten sind größer als die Erde und typischerweise so groß wie der Gasplanet Neptun. Alle 18 neu entdeckten Planeten (hier orange und grün) hingegen sind deutlich kleiner als Neptun, drei von ihnen sogar kleiner als die Erde und zwei weitere genau so groß wie die Erde. Der Planet EPIC 201238110.02 ist als einziger der neuen Planeten kühl genug, um auf seiner Oberfläche potenziell flüssiges Oberflächenwasser zu beherbergen. (Illu.). Copyright: NASA/JPL (Neptun), NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring (Erde), MPS/René Heller

Fast alle bisher bekannten Exoplaneten sind größer als die Erde und typischerweise so groß wie der Gasplanet Neptun. Alle 18 neu entdeckten Planeten (hier orange und grün) hingegen sind deutlich kleiner als Neptun, drei von ihnen sogar kleiner als die Erde und zwei weitere genau so groß wie die Erde. Der Planet EPIC 201238110.02 ist als einziger der neuen Planeten kühl genug, um auf seiner Oberfläche potenziell flüssiges Oberflächenwasser zu beherbergen. (Illu.).
Copyright: NASA/JPL (Neptun), NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring (Erde), MPS/René Heller

Göttingen (Deutschland) – Mit Hilfe einer neuen Suchmethode haben deutsche Astronomen 18 kleine Exoplaneten entdeckt, die bisherige Suchkampagnen übersehen haben. Einer der neuen Exoplaneten zählt zu den kleinsten bisher bekannten, ein weiterer könnte lebensfreundliche Bedingungen aufweisen. Die Entdeckung deutet auf noch zahlreiche weitere bislang unerkannte Planeten in bereist ausgewerteten Datensätzen.

Wie das Team um Dr. René Heller vom Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS), der der Georg-August-Universität Göttingen und der Sternwarte Sonneberg aktuell im Fachjournal „Astronomy & Astrophysics“ (DOI: ddd) berichtet, entdeckten sie die 18 erdgroßen Exoplaneten in den bereits zuvor ausgewerteten Daten des NASA-Weltraumteleskops „Kepler“ mittels einer von ihnen entwickelten, empfindlicheren Methode. Der Radius der kleinsten Planeten unter den 18 neuentdeckt Welten misst nur 69 Prozent des Erdradius; der größte überragt die Erde um kaum mehr als das Zweifache. Die Forscher und Forscherinnen vermuten nun, dass sich im gesamten Datenschatz der Kepler-Mission auf diese Weise noch mehr als 100 zusätzliche Exoplaneten verbergen.

Hintergrund
Etwas mehr als 4000 Planeten, die um Sterne außerhalb unseres Sonnensystems kreisen, sind bisher bekannt. Von diesen so genannten Exoplaneten sind etwa 96 Prozent deutlich größer als unsere Erde, die meisten davon eher vergleichbar mit den Abmessungen der Gasriesen Neptun oder Jupiter. Allerdings dürfte dieser Prozentsatz nicht die wirklichen Verhältnisse im Weltall widerspiegeln, denn große Planeten lassen sich deutlich leichter aufspüren als kleine. Doch gerade die kleinen Welten faszinieren, wecken sie doch die Hoffnung, irgendwo im All erdähnliche Planeten zu finden.

Ist der Orbit eines extrasolaren Planeten so ausgerichtet, dass er von der Erde aus gesehen vor seinem Stern entlangzieht, so verdunkelt der Planet den Stern auf charakteristische Weise. Diesen kurzzeitigen, typischerweise nur wenige Stunden dauernden Vorgang nennt man einen Transit. Aus der Häufigkeit der periodischen Verdunklungen schließen Astronomen auf die Länge des Jahres auf dem Planeten und aus der Tiefe der Verdunklung auf das Größenverhältnis zwischen Planet und Stern. Der neue Algorithmus von Heller, Rodenbeck und Hippke sucht nicht wie frühere Standardalgorithmen nach abrupten Helligkeitsabfällen, sondern nach der charakteristischen, graduellen Verdunklung. Dadurch ist der neue Transit-Suchalgorithmus entscheidend sensibler für besonders kleine Planeten von der Größe der Erde. Copyright: NASA/SDO (Sonne), MPS/René Heller

Ist der Orbit eines extrasolaren Planeten so ausgerichtet, dass er von der Erde aus gesehen vor seinem Stern entlangzieht, so verdunkelt der Planet den Stern auf charakteristische Weise. Diesen kurzzeitigen, typischerweise nur wenige Stunden dauernden Vorgang nennt man einen Transit. Aus der Häufigkeit der periodischen Verdunklungen schließen Astronomen auf die Länge des Jahres auf dem Planeten und aus der Tiefe der Verdunklung auf das Größenverhältnis zwischen Planet und Stern. Der neue Algorithmus von Heller, Rodenbeck und Hippke sucht nicht wie frühere Standardalgorithmen nach abrupten Helligkeitsabfällen, sondern nach der charakteristischen, graduellen Verdunklung. Dadurch ist der neue Transit-Suchalgorithmus entscheidend sensibler für besonders kleine Planeten von der Größe der Erde.
Copyright: NASA/SDO (Sonne), MPS/René Heller

Üblicherweise nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ihrer Suche nach fernen Welten die so genannte Transit-Methode, mit der sie Sterne gezielt nach periodisch wiederkehrenden Helligkeitsabfällen durchforsten. Jedes Mal, wenn ein Exoplanet auf seiner Umlaufbahn von der Erde aus gesehen vor seinem Stern vorüberzieht, verdunkelt er ihn leicht. Der Stern erscheint dem Betrachter in dieser Zeit, typischerweise für ein paar Stunden, weniger hell.
Quelle: MPS

„Bisherige gängige Such-Algorithmen versuchen, sprunghafte Helligkeitsabfälle zu identifizieren“, erklärt Heller und ergänzt: „In Wirklichkeit erscheinen Sterne am Rand etwas dunkler als in der Mitte. Wenn ein Planet vor einem Stern entlang zieht, blockiert er anfangs weniger Sternlicht. Erst zur Mitte des Transits erscheint der Stern am dunkelsten. Danach wird er wieder graduell heller.“

Große Planeten verdunkeln ihren Stern so stark, dass dieser feine Unterschied bei ihrer  Entdeckung kaum eine Rolle spiele. Kleine Planeten jedoch stellen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor immense Herausforderungen: „Der Helligkeitsabfall ist oftmals so gering, dass er in den natürlichen Helligkeitsschwankungen des Sterns und im Rauschen des Messinstrumentes kaum auffällt.“

Das Team um René Heller konnte nun zeigen, dass sich die Empfindlichkeit der Transit-Methode entscheidend verbessern lässt, wenn ein realistischerer Helligkeitsverlauf angenommen wird.

Als Prüfstein dienten den Forschern Daten des NASA-Weltraumteleskops Kepler. In der ersten Missionsphase von 2009 bis 2013 zeichnete das Teleskop den Helligkeitsverlauf von mehr als 100.000 Sternen auf. Mehr als 2300 Planeten wurden so entdeckt. Nach einem technischen Defekt ließ sich das Teleskop nur noch eingeschränkt nutzen, richtete seinen Blick dennoch bis zum Missionsende 2018 auf mehr als 100.000 weitere Sterne. Um das Potential ihres neuen Algorithmus zu testen, wandten sich die Forscher in einem ersten Schritt den überschaubareren Daten der zweiten Missionsphase zu. Speziell untersuchten sie alle 517 Sterne erneut, von denen bereits bekannt war, dass sie mindestens einen planetaren Begleiter aufweisen.

Neben den bereits zuvor dokumentierten Planeten stießen die Göttinger Astronomen auf 18 weitere, die bisher übersehen worden waren. „In den meisten der von uns untersuchten Planetensystemen sind die jetzt gefundenen Planeten die kleinsten“, erläutert Mitautor Kai Rodenbeck von der Universität Göttingen die Ergebnisse. Zudem kreisen sie fast immer weiter innen um ihren Stern als ihre schon länger bekannten Weggefährten. Die Oberflächentemperaturen auf den neuentdeckte Planeten liegen deshalb auch meist bei weit über 100 Grad Celsius; bei einigen sind es sogar bis zu 1000 Grad Celsius.

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Nur einer der Planeten bildet eine Ausnahme und umkreist einen roten Zwergstern innerhalb dessen so genannter habitablen Zone. Hierbei handelt esishc um jene Abstandregion, innerhalb derer ein Planet seinen Stern umkreisen muss, damit aufgrund  gemäßigter Temperaturen Wasser in flüssiger Form – und damit die Grundlage zumindest des irdischen Lebens – auf seiner Oberfläche existieren kann.

„Unser neuer Algorithmus trägt dazu bei, ein realistischeres Bild von der Exoplaneten-Population im Weltall zu gewinnen“, bilanziert Michael Hippke von der Sternwarte Sonneberg. „Vor allem für die Suche nach erdähnlichen Planeten bedeutet unsere neue Methode einen maßgeblichen Fortschritt.“

Natürlich können auch die Göttinger Forscher nicht ausschließen, dass auch ihre Methode für einzelne Planeten übersieht. Besonders problematisch seien beispielsweise kleine Planeten, die in beträchtlichem Abstand um ihren Stern kreisen und für einen Umlauf um ihren Stern länger brauchen als solche Planeten, die ihren Stern eng umrunden – und verdunkeln ihn somit in größeren Zeitabständen. Das ohnehin schwache Signal dieser Welten ist demnach noch schwieriger auszumachen.

Die neue Methode von Heller und Kollegen eröffnet aber schon jetzt faszinierende Möglichkeiten, denn neben den 517 jetzt nachuntersuchten Sternen bietet die Kepler-Mission noch Datensätze von hunderttausenden weiteren Sternen. Auch für die künftige PLATO-Mission der ESA ist diese neue Methode wertvoll, mit der die ESA ab 2026 Exoplaneten-Systeme um sonnenähnliche Sterne finden und näher charakterisieren will.

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