Neues aus der Welt der Exoplaneten – die Supererde Gliese 1214b

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Astronomers do it at Night

415 extrasolare Planeten (Stand von jetzt gerade) kennt die Datenbank von exoplanet.eu mittlerweile. Die neueste Entdeckung erregt derzeit einiges an Aufsehen: Gliese 1214b ist eine Supererde, also ein Planet dessen Eigenschaften wie Masse oder Radius man besser mit denen der Erde vergleicht anstatt mit denen des Jupiters, wie es in der Welt der Exoplaneten üblich ist. Tatsächlich sind die meisten bislang entdeckten Planeten um andere Sterne sogenannte "Hot Jupiters", Gasriesen mit meist mehreren Jupitermassen also, die sich aber recht nah an ihrem Mutterstern befinden und dabei stark aufgeheizt werden. Eine Supererde dagegen sollte erdähnliche Eigenschaften haben, zumindest grob gesehen. Er sollte eine feste Oberfläche besitzen und aus Eis, Metallen oder Gestein bestehen.

So einer ist nun also Gliese 1214b, oder kurz GJ 1214b. GJ steht für Gliese-Jahreiß und meint in unserem Falle ersteinmal den Mutterstern des Planeten, eben der Stern mit der Nummer 1214 in der überarbeiteten Fassung des Gliese-Kataloges – eines Kataloges sonnennaher Sterne, der am Astronomischen Recheninstitut in Heidelberg erstellt wurde. GJ 1214 ist eigentlich ein ganz normaler Stern, ein kleiner roter Zwergstern vom Spektraltyp M4.5. Er ist knapp 13 pc, also etwa 42 Lichtjahre, von uns entfernt und erscheint uns deshalb nur etwa so hell wie der Pluto. Mit bloßem Auge ist er also gar nicht zu sehen, man benötigt schon ein größeres Teleskop um ihn überhaupt beobachten zu können.

Die Venus vor der Sonne am 8. Juni 2004, aufgenommen mit dem 1m-Swedish 1-m Solar Telescope auf La Palma. Image Credit: Dan Kiselman vom Institute for Solar Physics der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften

Sein Begleiter GJ 1214b hat sich dadurch verraten daß er bei jedem Umlauf vor dem Stern vorbeizieht und ihn dabei etwas abdunkelt. Nichts anderes passiert während einer Sonnenfinsternis, wo sich der Mond zwischen Erde und Sonne schiebt. Nun ist der Mond recht nah an der Erde und erscheint uns damit groß genug am Himmel um die Sonne sogar komplett abzudecken. Bei einem Planetentransit klappt das nicht mehr, aber auch soetwas gibt es in unserem Sonnensystem. 2004 und 2006 zogen Venus und Merkur von der Erde aus gesehen vor der Sonne vorbei, zwei kleine dunkle Scheibchen vor der hellen Sonne. Solche Transits sind selten, die Venus beispielsweise wird 2012 das nächste Mal vor der Sonne vorbeiziehen, danach wird der nächste Venustransit aber länger als 100 Jahre auf sich warten lassen. Damit ein solches Ereignis stattfinden kann, muß alles genau passen: Merkur oder Venus (die äußeren Planeten können ja nicht vor der Sonne entlanglaufen!) müssen wirklich exakt zwischen Erde und Sonne stehen. Weil die Bahnen der Planeten in unserem Sonnensystem gegeneinander geneigt sind, klappt das nur, wenn sie sich auf ihrer Umlaufbahn an der richtigen Stelle befinden, nämlich in der Nähe der Schnittpunkte ihrer Bahnebene. Dasselbe gilt ja auch für Sonnen- und Mondfinsternisse, die finden ja auch nicht einmal pro Monat statt.

Auch bei anderen Sternen klappt das mit den Transits also nur, wenn seine Umlaufbahn den Planeten von der Erde aus gesehen direkt zwischen uns und den Stern selber bringt. Ist die Bahn nur ein wenig geneigt, läuft der Planeten ober- oder unterhalb des Sternes vorbei und wir sehen nichts. Natürlich können wir die Planeten aber gar nicht nicht direkt vor den Sternen vorbeiziehen sehen – die sind schließlich so weit weg, daß wir ihre Oberfläche gar nicht auflösen können. Stattdessen müssen wir die Helligkeit des Sternes messen. Schließlich bedeckt der dunkle Planet ja einen Teil der hellen Sternoberfläche, so daß bei uns weniger Sternlicht als sonst ankommt, eine Lichtkurve des Sterns wird also während des Transits einen Helligkeitseinbruch zeigen. Sobald man soetwas bei einem Stern regelmäßig beobachtet, kann man sich sicher sein, daß der Stern einen Begleiter hat, der auf seiner Umlaufbahn immer wieder in unsere Sichtlinie kommt. Ob es sich dabei nun aber um einen erdähnlichen Planeten oder einen Gasriesen – oder stattdessen um einen Braunen Zwerg oder um einen anderen Stern – handelt, wissen wir aber noch nicht.

Über GJ 1214b scheint man dagegen eine ganze Menge zu wissen: Etwa sechs mal so schwer wie die Erde soll er sein, und 2.7 mal so groß. Aber nicht nur das. Er soll in seinem Inneren hauptsächlich aus Eis bestehen, mit ein wenig Silikaten und Metallen dazu. Und eine Atmosphäre soll er haben, knapp 200 km dick und 200°C heiß. Und obwohl in Florian Freistetters Astrodictum Simplex schon fleißig darüber diskutiert wird, denke ich mir, wir können uns hier eigentlich auch mal anschauen wie man eigentlich all diese Schlußfolgerungen überhaupt ziehen kann. Zunächst haben wir nämlich erstmal nichts weiter als das hier:

Transit des Exoplaneten TrES-2, aufgenommen von Dimitris Mislis mit dem Oskar-Lühning-Teleskop der Hamburger Sternwarte

Die Lichtkurve eines solchen Transits, hier von TrES-2, einem einem anderen Transitplaneten. Aus dieser Lichtkurve kann man schon eine ganze Menge lernen: Aus der Zeit von einer Bedeckung zur nächsten bekommt man die Umlaufdauer des Planeten. Je tiefer der Helligkeitseinbruch, desto größer muß der Planet im Vergleich zum Stern sein, denn es wird dann ja ein größerer Teil des Sterns abgedeckt. Um die Masse des Planeten zu bestimmen, braucht man allerdings noch eine zweite Messung: die Radialgeschwindigkeit. Stern und Begleiter kreisen beide um den gemeinsamen Schwerpunkt, und durch den Dopplereffekt sind die Linien in den Spektren des Sternes unterschiedlich verschoben, je nachdem ob er sich auf dieser Bahnbewegung gerade auf uns zu oder von uns wegbewegt. Jetzt brauchen wir noch eine Abschätzung über die Masse oder den Radius des Sterns, und schon haben wir diese Zahlen auch für den Planeten. Aber der Rest? Wie findet man die Atmosphäre oder den Eiskern?

Schauen wir uns das Bild vom Venustransit oben nochmal an. Wer genau hinsieht, erkennt, daß das Venus-Scheibchen keinen scharfen Rand hat – wir sehen die Atmosphäre der Venus. Ähnliche Hinweise kann man auch schon aus den Transitlichtkurven bekommen, aber mithilfe von Spektroskopie kann man noch viel mehr Informationen bekommen, denn die Atome und Moleküle der Planetenatmosphäre hinterlassen ihre Spuren im Sternspektrum, wenn das Sternlicht durch die Atmosphäre zu uns läuft. Wenn ein Planet sehr nah an seinem Mutterstern steht (so wie auch GJ 1214b), wird er auch stark aufgeheizt und leuchtet dann auch selbst. Sein Licht von dem des Sterns zu unterscheiden ist aber alles andere als einfach, und die Schlußfolgerungen die man aus den derzeit verfügbaren Daten aller extrasolaren Planeten ziehen kann sind sehr, sehr unsicher.

Mit der Zusammensetzung eines Planeten wie GJ 1214b sieht es ähnlich aus. Zwar können wir, sobald wir seine Größe und seine Masse bestimmt haben, leicht seine mittlere Dichte bestimmen und daraus Rückschlüsse ziehen – die Dichte von Wasser liegt ja bei 1 g/cm³, Gestein hat 3-4 g/cm³, Metalle wie Eisen sind noch schwerer. Die mittlere Dichte von GJ 1214b ist nicht ganz doppelt so groß wie die von Wasser, Wasser muß also einen ziemlich großen Anteil des Planeten ausmachen. Im Inneren von GJ 1214b herrschen allerdings recht unangenehme Bedingungen mit hohen Temperaturen und hohen Drücken – das Wasser liegt dann tatsächlich als Eis vor, allerdings als sogenanntes Eis VII, das mit dem Eis mit dem wir im Alltag zu tun haben nicht viel gemeinsam hat. Alles in allem ist also auch die Supererde Gliese 1214b nicht das was wir uns unter einem erdähnlichen Planeten vorstellen.

Entdeckt wurde GJ 1214b übrigens mit dem MEarth-Projekt des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. MEarth untersucht die Lichtkurven von ungefähr 2000 sonnennahen M-Sternen wie GJ 1214 einer ist auf Transits wie die, die GJ 1214b verursacht. MEarth, das sind acht baugleiche Teleskope mit 40cm Durchmesser, die vollautomatisch auf dem Mt. Hopkins in Arizona arbeiten. Wie man auf der Homepage des Projektes nachlesen kann, scheint sich sogar die ortsansässige Tierwelt für das Treiben der Astronomen dort zu interessieren – aber mal ehrlich, wer könnte es ihnen verübeln?

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Astronomin in vielerlei Hinsicht, so könnte man mich mit wenigen Worten beschreiben. Da ist zunächst einmal die Astrophysikerin, die an der Hamburger Sternwarte über die Aktivität von Sternen promoviert und dabei hauptsächlich mit den Röntgensatelliten Chandra und XMM-Newton gearbeitet hat, aber auch schon am Very Large Telescope in Chile beobachten durfte. Auslöser ihres beruflichen Werdegangs war ein engagierter Lehrer, dessen Astronomie-AG sie ab der 7. Klasse besuchte. Ungefähr zur selben Zeit erwachte auch die Hobbyastronomin, die anläßlich des Einschlags des Kometen Shoemaker-Levi 9 auf den Jupiter begann, mit einem russischen Feldstecher vom Flohmarkt den Tanz der Jupitermonde zu verfolgen. Heutzutage freut sie sich über jede Gelegenheit, mit ihrem 16-zölligen Dobson tief im Odenwald fernab der Lichter der Rheinebene auf die Jagd nach Deep-Sky-Objekten zu gehen. Und da Amateurastronomen gesellige Wesen sind, treffe ich mich gerne mit Gleichgesinnten, zum Beispiel zum gemeinsamen Beobachten. Auch nach meinem Umzug von der Großstadt Hamburg in das schöne Universitätsstädtchen Heidelberg halte ich engen Kontakt zu meinen Vereinskameraden von der Hamburger Gesellschaft für volkstümliche Astronomie und dem Astronomieverein meiner Jugend, dem Arbeitskreis Sternfreunde Lübeck. Seit einigen Jahren bin ich außerdem in dem Internetforum Astrotreff aktiv, wo ich Teil des Moderatorenteams bin. Um meine Faszination an der Astronomie an andere weitergeben zu können, besonders an Kinder und Jugendliche, habe ich mich seit Jahren in der Öffentlichkeitsarbeit engagiert, habe populärwissenschaftliche Vorträge gehalten und Schülergruppen betreut, die in Hamburg das Institut besucht haben. Diese Leidenschaft habe ich nun zu meinem Beruf gemacht. Hier in Heidelberg arbeite ich in einem kleinen aber feinen Team am Haus der Astronomie. Hiermit lade ich Sie ein, lieber Leser, an all diesen Facetten meines Astronomendaseins teilzuhaben. Mal witzig, mal spannend oder nachdenklich, manchmal auch persönlich oder mit Aha-Effekt. Carolin Liefke

21 Kommentare

  1. Transits

    Hi Carolin,
    eine wie ich finde äusserst gelungene Übersicht über diese jüngst so erfolgreiche Methode bei der Exoplanetenjagd. Auf breiter Front nähert man sich so den wirklich erdähnlichen Planeten…

  2. Gliese 1214b

    Hallo Carolin,

    ein sehr transparenter Überblick, und für Laien relativ gut verständlich. Als Hobbyastronom stelle ich mir immer wieder die Frage, wie die Wissenschaftler zu derartigen “klaren” Aussagen bzgl. Masse, Größe und vor allem Zusammensetzung kommen können. Nun bin ich etwas schlauer. Danke dafür, es hat Spaß gemacht deinen Artikel zu lesen.

    Grüße
    Jens

  3. Zahlen und Unsicherheiten

    Hallo Jens,

    ein ziemlich wichtiger Punkt bei solchen Angaben ist eben, daß sie eigentlich gar nicht so klar sind. In den wissenschaftlichen Veröffentlichungen steht das auch im Allgemeinen deutlich drin (oder sollte es zumindest, in diesem Falle waren die Autoren vorbildlich). Wissenschaftler verbringen oft sehr viel Zeit damit, Unsicherheiten und Meßfehler abzuschätzen.

    Solche Fehlerangaben lassen sich aber in einer Pressemitteilung nun so gar nicht unterbringen. Ein “aber Vorsicht, es könnte auch sein daß” findet man in den Astro-Nachrichten (oder allgemein in populärwissenschaftlichen Darstellungen) nur sehr selten.

    Gerade die extrasolaren Planeten haben es ja eigentlich in sich, nehmen wir wieder Gliese 1214b: Wie schon erwähnt wird der vom Mutterstern Gliese 1214 aufgeheizt. Aber um wieviel denn nun genau? Wir können den Abstand Stern-Planet einigermaßen gut bestimmen, damit läßt sich abschätzen, wieviel Strahlung vom Stern beim Planeten ankommt. Wie der darauf reagiert ist aber eine recht komplizierte Angelegenheit und hängt empfindlich von mehreren Eigenschaften ab, die wir nicht genau kennen, wie zum Beispiel von seiner chemischen Zusammensetzung. Hier muß jetzt ein im Computer generierter Modellplanet herhalten, den wir beleuchten. Der Computer sagt uns dann, wie der echte Planet sich verhalten sollte, wenn – und es ist ein großes wenn – wir ihm die richtigen Daten über den Planeten selber und die richtige Physik eingefüttert haben. Dementsprechend können solche Modellrechnungen auch mal an der Realität vorbeigehen, wenn zum Beispiel von den falschen Voraussetzungen ausgegangen wurde oder aber auch bestimmte Probleme viel zu komplex für eine vollständige numerische Lösung sind.

    Wer mag: Unter http://exoplanet.eu/star.php?st=GJ+1214 kann man die Daten zu Gliese 1214b mal mitsamt Unsicherheiten ansehen – oder sich unter http://fr.arxiv.org/abs/0912.3229 an der wissenschaftlichen Originalveröffentlichung versuchen.

  4. Eine Frage

    Sehr geehrte Frau Liefke

    Darf ich hier als ein an Astronomie Interessierter eine Frage stellen, die nicht dem Themenkreis “Exoplaneten” angehört ? Nun ja, ich frag einfach mal 🙂

    Wie Ihnen sicherlich bekannt ist, gibt es im All das Phänomen der sogenannten “Bubble” ( Blasen), d.h Strukturen expandierenden ionisierten Gases, welche u.a durch Supernovas erzeugt werden.
    Nun habe ich gelesen ( Pearson – Astronomie ), dass sich unser Sonnensystem im Innern einer solchen Blase befindet, die durch eine Supernova in der Nähe ( nach astronomischen Entfernungsbegriffen ) unseres Systems erzeugt wurde.
    Leider war es mir nicht möglich, Genaueres in Erfahrung zu bringen. Insbesondere interessiert mich, wann und wo diese Explosion stattgefunden hat ( sofern bekannt ), und ob möglicherweise diese Explosion schwerwiegende Auswirkungen auf die Erde hatte.

  5. Local Bubble

    Hallo Peter,

    wenn wir uns die Milchstraße anschauen, müssen wir bedenken, daß sie mehr ist als eine Ansammlung von Sternen. Sie ist durchzogen von interstellarer Materie, von Gas und Staub. die interstellare Materie ist allerdings alles andere als gleichmäßig verteilt, das bemerken wir alleine schon daran, daß die interstellare Extinktion in verschiedenen Richtungen anders ist.

    Strukturen und Verdichtungen (die sich dann schließlich und endlich sogar zu Sternentstehungsgebieten entwickeln können) bekommt man auf verschiedene arten hin: Da wären einmal Strömungen in dem Material selber, ganze Wolken können miteinander “kollidieren”.
    Supernovae sind da allerdings viel effizienter, denn sie treiben Gas und Staub mit hohen Geschwindigkeiten auseinander. Wenn die von einer Supernovaexplosion erzeugten Schockwellen auf ruhendes Material treffen, wird es aufgeheizt und selbst beschleunigt. Im Inneren des Explosionsbereiches bleibt nur wenig Material übrig, die Dichte ist viel geringer als im normalen interstellaren Medium.

    Soetwas ist auch die Lokale Blase, oder der “Local Bubble” in dem sich die Sonne derzeit befindet. Auf den genauen Ursprung der Blase zurückzurechnen ist aber nicht so ganz einfach. Zum einen befindet sich alles in Bewegung – sowohl die Sonne als auch die Blasenstruktur selber – zum anderen ist der Local Bubble und seine Nachbarschaft nicht nur eine einzige kugelförmige Blase sondern unregelmäßig geformt und zusammengesetzt aus mehreren solchen Blasen.
    Die gesamte Struktur wurde also höchstwahrscheinlich aus mehreren Supernovaexplosionen gebildet, die auch nicht alle gleichzeitig passiert sein müssen.

    Schon das Alter der Blasenstruktur in der wir uns befinden ist nur schwer abzuschätzen. Ein Teil des Gases wurde stark aufgeheizt und leuchtet deshalb noch immer im Röntgenlicht nach, der Local Bubble ist deshalb maximal wenige Millionen Jahre alt. Auch der Ort der Supernova ist nur schwer zu bestimmen, denn ein Supernovaüberrest hätte längst zu leuchten aufgehört. Als “Nachfahren” kommen also nur Neutronensterne und Schwarze Löcher in unserer kosmischen Nachbarschaft in Frage. Die nächsten Neutronensterne befinden sich in mehreren 100 Lichtjahren Entfernung, können sich aber seit der Explosion auch ein ganz schönes Stück bewegt haben.

    Wie stark die Auswirkungen einer Supernovaexplosion auf die Erde sind, hängt natürlich extrem stark davon ab, wie weit entfernt sie stattfand. Die Druckwelle würde auf der Erde zu einer erhöhten Belastung durch kosmische Strahlung führen. Bis zu einem gewissen Punkt kann das natürlich die Erdatmosphäre auffangen.
    Angesichts des immerwiederkehrenden Kreislaufs vom Werden und Vergehen der Sterne auch in unserer kosmischen Nachbarschaft können wir aber wohl davon ausgehen, daß unser Heimatplanet schonmal die eine oder andere derartige Explosion aus nächster Nähe erlebt hat seit das Leben auf der Erde entstanden ist – und bis heute existiert.
    Im Gegenteil, man kann anfangen sich darüber Gedanken zu machen ob es nicht gerade erhöhte kosmische Strahlung ist, die die Bildung bestimmter Moleküle anregt oder zu Mutationen und damit zur Evolution anregt.

    In SuW 8/2005 gab es übrigens mal einen Artikel zum Local Bubble – hauptsächlich aus der Sicht der Röntgenastronomie – zu lesen.

  6. Hallo Carolin

    Ich duze Dich, da es hier offensichtlich so üblich ist. Vielen Dank für die Antwort zu meinen Fragen betreffend der Local Bubble, auch wenn diese zur Zeit (noch) nicht vollständig beantwortet werden können, was keine Kritik sein soll, sondern lediglich zeigt, wie viel wir noch nicht wissen. Aber genau dies macht die Astronomie doch so interessant, dass es noch so viele ungelöste Rätsel gibt.

    Interessant sind auch deine Ausführungen zu den Exoplaneten. Insbesondere ist es sehr erstaunlich, dass Aussagen über die Atmoshäre eines Exoplaneten möglich sind, auch wenn diese zur Zeit noch mit grossen Unsicherheiten belastet sind.

    Prinzipiell scheint es daher in absehbarer Zeit im Bereich des Möglichen zu liegen, Exoplaneten nach “Lebensindikatoren” in der Atmospäre abzusuchen. Ein hoher Anteil an Wasser und Sauerstoff beispielsweise wäre ein solches Indiz, da der hohe Anteil an Sauerstoff in der Erdatmosphäre seinen Ursprung der Photosynthese lebender Organismen verdankt.

    Dies scheint mir der interessanteste Aspekt bei der Suche nach Exoplaneten zu sein, der Suche nach ausserirdischem Leben. Ich möchte betonen, dass ich kein UFO – Verschwörungstheoretiker bin, sondern mich an zugegebenermassen unsicheren Wahrscheinlichkeitsrechnungen orientiere, welche ausserirdisches Leben für wahrscheinlich halten.

    Die sogenannte Drake – Gleichung, benannt nach dem Astronomen Frank Drake, lässt die Wahrscheinlichkeit der heute in unserer Galaxis existierenden Zivilisationen leicht berechnen, wenn, und das ist der Haken an der ganzen Sache, die einzusetzenden Werte der Faktoren einigermassen bekannt wären.

    Wahrscheinlich wäre ausserirdisches Leben dann, wenn bei geeigneten Vorraussetzungen Leben sozusagen zwangsläufig entstünde, worauf einiges hindeutet, aber eben nicht bewiesen ist.

    Zur Zeit taugt die Technik wohl nur, um die grossen Brocken zu finden, meist jovianische Riesenplaneten, die wohl eher weniger die Bedingungen für Leben erfüllen und schon gar nicht für komplexe Formen.

    Es ist doch eine erstaunliche Tatsache, dass gegen eine bestehende galaktische Zivilisation prinzipiell nur wenige Gründe sprechen, welche unter der rare Earth Hypothese zusammengefasst werden :

    – die rare Earth Hypothese, welche besagt, dass die Bedingungen, welche die Entstehung des Lebens und ihre Weiterentwicklung zu komplexen Formen, so wie sie auf der Erde gegeben waren und sind, äusserst selten, wenn nicht gar einmalig im Universum sind

    Mir scheint diese Hypothese jedoch eher Ausdruck des menschlichen Bedürnisses zu sein, sich stets eine herausragende Bedeutung zuzuschreiben. So wurde die Erde lange als das Zentrum des Universums verstanden, dann wurde die Sonne als Zentrum der Galaxie ( was damals gleichbedeutend mit dem Universum war ) angesehen. Aber allmählich, mit den Erkenntnissen der Wissenschaft, wurde der Mensch mehr und mehr in die Peripherie abgedrängt, ein Wesen, dass auf einem kleinen Planeten einen recht “gewöhnlichen” Stern umkreist, irgendwo in der Mitte zwischen Zentrum und Aussenrand der Galaxie, ein Typus von Stern, von dem es allein in unserer Galaxie wohl Millionen, wenn nicht gar Milliarden gibt.

    Die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten könnte zumindest teilweise die rare Earth Hypothese verifizieren.

    Gegen die Existenz einer galaktischen Zivilisation spricht auch die Tatsache, dass wir bisher keinerlei Spuren gefunden haben, die auf die Existenz einer solchen hindeuten oder sie gar beweisen ( UFO-Gläubige werden hier widersprechen 🙂
    Der Physiker Enrico Fermi antwortete anlässlich einer Diskussion mit Wissenschaftlern um die Existenz ausserirdischer Zivilisationen : “Und, wo stecken sie alle ?”

    Das ist die Frage, welche die Astronomie irgendwann beantworten sollte, und die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten ist ein erster Schritt dazu.

    ps: ein guten Rutsch ins neue Jahr und viel Spass mit eurem neuen Teleskop

    Peter

  7. Entstehung des Sonnensystems

    “Tatsächlich sind die meisten bislang entdeckten Planeten um andere Sterne sogenannte “Hot Jupiters”, Gasriesen mit meist mehreren Jupitermassen also, die sich aber recht nah an ihrem Mutterstern befinden und dabei stark aufgeheizt werden.”

    Das ist aber einigermassen erstaunlich und steht doch im Widerspruch zur Theorie der Entstehung der Sonnensysteme, welche besagt, dass die terrestrischen Planeten die inneren Bahnen besetzen und die jovianischen Gasriesen die äusseren, grad so, wie das in unserem Sonnensystem der Fall ist, sieht man mal von den äussersten Bereichen ab ( Pluto, Eris etc. )

  8. Außerirdische – und dann?

    Hallo Peter,

    ich halte ehrlich gesagt nicht allzu viel von der anthropozentrischen Weltsicht, die die Menschheit und die Entwicklung des Lebens auf der Erde als einzigartig und Krone der Schöpfung sehen möchte.

    Es gibt keinerlei vernünftigen Grund anzunehmen, daß sich nicht auch auf anderen Welten Leben entwickeln könnte. Wir haben höchstwahrscheinlich sogar gar keine Vorstellung davon unter welchen (für unsere Verhältnisse) extremen Bedingungen das möglich ist.

    Extrasolare Planeten sind in der Wissenschaft gerade ziemlich “in Mode”. Mit der Suche nach außerirdischem Leben oder – eine Stufe drunter – der Charakterisierung der fernen Welten nach ihrer Lebensfreundlichkeit (“Astrobiologie”) lassen sich Drittmittelgeber gerne zur Finanzierung überreden. Das Thema ist öffentlichkeitswirksam, denn wer von uns hat sich noch nicht gefragt ob wir allein da draußen sind?

    Gehen wir aber mal einen Schritt weiter. Stellen wir uns vor, wir finden sie, die erdähnliche Welt, weisen Wasser auf der Oberfläche und Sauerstoff in der Atmosphäre nach. Was dann? Wer sagt uns ob sie “bewohnt” ist, ob die Lebensformen dort vielleicht noch nicht weit genug entwickelt sind um selbst das Universum zu erkunden – oder, wie es in dem einen oder anderen ironischen Statement eben so schön heißt, ob sie einfach keine Lust haben sich mit uns abzugeben? Von den Schwierigkeiten interstellarer Kommunikation oder der Unmöglichkeit dort hin zu reisen wollen wir mal lieber gar nicht erst reden.

    Fakt ist, technologisch gesehen sind wir derzeit ganz knapp in der Lage eine zweite Erde zu finden. Ob wir sie finden – und was sich dann daraus ergibt, wird sich zeigen.

    Also stay tuned…

  9. Ist das Sonnensystem außergewöhnlich?

    Nochmal @Santa Peter:

    Eines wissen wir heute mit Sicherheit: Die Vorstellungen, die man vor 15 Jahren über die Entstehung von Planetensystemen hatte, muß man über den Haufen werfen. Insofern waren die ersten extrasolaren Planeten die man entdeckt hat eine große Überraschung, damals hätte man nicht gedacht, daß soetwas wie ein Hot Jupiter überhaupt existieren kann, weil man dachte es wäre unmöglich, daß sich ein Planet so nah an seinem Mutterstern überhaupt bilden kann.

    Inzwischen steht unser Sonnensystem ziemlich alleine da – und auf der anderen Seite stehen unzählige Hot Jupiters. Das ist allerdings ein Auswahleffekt, denn die Endeckung von Hot Jupiters ist viel einfacher als die von erdähnlichen Planeten oder großen Gasriesen weitab vom Stern. Unsere Exoplanetenliste enthält also einen so großen Anteil an Hot Jupiters, weil man die “normalen” Planeten bisher nur selten bis gar nicht findet.

    Trotzdem haben die Hot Jupiters dazu geführt, daß man die Theorie der Planetenentstehung grundlegend überarbeitet hat. Viele der heutigen Ansätze gehen aber trotzdem nicht davon aus, daß die großen Gasriesen so nah am Stern entstanden sind. Planeten können während oder kurz nach ihrer Entstehung auch in die inneren Bereiche des Planetensystems wandern. Gerade wenn ein junger Stern noch von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben ist, in der sich eben die Planeten bilden, dann werden Reibungseffekte die Protoplaneten von ihrem Entstehungsort nach innen treiben. Schließlich und endlich sollte es demnach auch passieren, daß der eine oder andere Planet auf den Stern fällt, bevor sich das Planetensystem stabilisiert.

    Erstaunlicherweise schaffen es heutige Modelle recht gut, dieses Szenario nachzubilden – mit unserem Sonnensystem dagegen hat man ein Problem. Wieso blieben Jupiter und Saturn dann nämlich da wo sie heute sind, oder besser gesagt, sind nicht noch näher an die Sonne gerückt?

  10. Überzahl heißer Jupiters erstaunlich?

    Lieber guter Weihnachtsmann,

    > Das ist aber einigermassen erstaunlich […]

    Das ist überhaupt nicht erstaunlich, sondern liegt an dem von Carolin erwähnten “Auswahleffekt”, auch wenn ein Laie mit dem Begriff möglicherweise nicht viel anfangen können wird.

    Unsere Messverfahren sind noch nicht allzu ausgefeilt. Große Planeten in unmittelbarer Nähe ihres Zentralgestirns (=heiße Jupiters) findet man viel, viel leichter als kleine in großem Abstand (beispielsweise erdähnliche). Deswegen scheint es auf den ersten Blick viel mehr heiße Jupiters zu geben.

    Wenn man mit einem grobmaschigen Netz im Meer fischt, fängt man nur große Fische, die kleinen flutschen durch die Maschen.

    Kann man daraus schließen, dass es im Meer nur große Fische und keine kleinen gibt? Natürlich nicht.

    Eines Tages wird es im Weltall positionierte interferometrische Planetensuchteleskopanordnungen geben (Teleskope auf Satelliten, die sehr genau ihre relative Position messen und halten). Mit der interferometrischen Technik wird man in den gemachten Aufnahmen das alles überstrahlende Zentralgestirn einfach herausrechnen können, sodass das viel schwächere von den Planeten reflektierte Licht verbleibt.

    Mit dieser Methode wird die Entdeckung kühler, tellurischer Planeten erheblich vereinfacht und sogar die Untersuchung ihrer Atmosphäre ermöglicht. Dann werden wir eine ganz erhebliche Änderung der Exoplaneten-Statistik feststellen, jede Wette.

  11. Beobachtungsauswahleffekt Exoplaneten…

    OBSERVATIONAL SELECTION EFFECTS

    zum Thema Beobachtungsauswahleffekte bei kleinen astronomischen Objekten, bei Exoplaneten
    und hochkompakten stellaren Objekten Auf wapedia (Stichwort Exoplaneten, http://wapedia.mobi/…net_Period-Mass_Scatter.png) finden sich Grafiken, die die Auswirkungen von Beobachtungsauswahleffekten sehr gut veranschaulichen. In Abhängigkeit von den Detektionsmethoden (sieben werden dort aufgeführt) und von deren Auflösungsvermögen gibt es zu Exoplaneten mit bestimmten Merkmalen höhere Entdeckungswahrscheinlichkeiten.

    Interessant wäre die Diskussion von Beobachtungsauswahleffekten auch in Bezug auf Neutronensternen bzw. Pulsare oder in Bezug auf andere hochkompakten stellaren Objekten, z.B. kleine hochkompakte stellare Objekte, welche sich z.B. mehrfach schneller als die Millisekundenpulsare drehen könnten.

    Ich suche seit einiger Zeit Linkangaben zu Facharbeiten, die die Effekte der Beobachtungsauswahl bei kompakten stellaren Objekten anhand der derzeitigen und künftigen Beobachtungstechniken darstellen.

    (Wie mir bekannt, muss der Beobachterauswahleffekt vom Beobachtungsauswahleffekt unterschieden werden.)

  12. “Das ist überhaupt nicht erstaunlich, sondern liegt an dem von Carolin erwähnten “Auswahleffekt”, auch wenn ein Laie mit dem Begriff möglicherweise nicht viel anfangen können wird.”

    Ich fasse mal kurz zusammen :

    Massereiche Gasriesen sind leichter nachzuweisen als massearme terrestrische Planeten, und die “Transitmethode”, ich nenn sie jetzt mal so, ist nur geeignet, wenn Transits in kurzen Zeitintervallen auftreten und damit die Helligkeitsunterschiede gemessen werden können. Dies wiederum lässt das Auffinden von Planeten mit geringem Abstand zum Zentralgestirn sehr viel wahrscheinlicher werden.

    Soweit ist alles klar, und ich behaupte auch nicht, dass die Ergebnisse repräsentativ für Sonnensysteme wären. Das sind sie wohl mit Sicherheit nicht.

    Trotzdem bleibt die Tatsache bestehen, dass die Nebulartheorie davon ausgeht, dass die inneren Bahnen von terrestrischen Planeten besetzt sein sollten, die äusseren von den jovianischen. Unser Sonnensystem gilt in dieser Hinsicht als idealtypisch.

    Gasriesen, Hot Jupiters mit geringem Abstand zum Zentralgestirn verlangen zumindest eine Erklärung.

    Eine mögliche Erklärung wäre die “Fragmentierung der Molekularwolke” während des Entstehungsprozesses, der Erklärungsansatz, der auch das Phänomen der zahlreichen Doppelsternsysteme zu erklären versucht. Demnach wären die nachgewiesenen Hot Jupiters sozusagen, ich drück es jetzt etwas salopp aus, Doppelsternsysteme, deren einter Stern zu klein geraten ist, um die Kernfusion zu starten ( womit er dann, das ist klar, eben kein Stern ist, sondern ein jovianischer Riese ).

  13. Nebulartheorie?

    Hallo Peter,

    wie schon gesagt, derartige Theorien sind veraltet. Unser Sonnensystem ist alles andere als das Ideal der Planetenentstehung sondern eher ein Problemfall, weil wir nicht wissen wieso unsere Gasplaneten so weit draußen sind. Große Gasriesen die im Zuge der Bildung des Planetensystems in dessen innere Bereiche gewandert sind, sind dagegen völlig normal.

    Ein System Stern – Gasriese ist auch kein verkapptes Doppelsternsystem. Die Fragmentation solcher Mehrfachsysteme passiert viel früher im Stadium der Sternentstehung, zu der Zeit ist der Stern selber noch ein Protostern weit vor der Kernfusion und ohne die Scheibe in der sich später die Planeten bilden.

  14. @Peter

    > Massereiche Gasriesen sind leichter
    > nachzuweisen als massearme
    > terrestrische Planeten

    Sie sind generell einfacher nachzuweisen, mit der Transitmethode ebenso wie mit der Messung der Radialgeschwindigkeit über die periodische Variation der Dopplerverschiebung des ausgesandten Lichts – immerhin die Methode, mit der die absolut überwiegende Mehrzahl der bekannten Exoplaneten nachgewiesen wurde.

    Sie sind aber besonders dann einfacher nachzuweisen, wenn ihr Bahnradius auch noch klein ist und damit sind wir wieder bei den heißen Jupiters.

    Die Theorie, dass sternnahe heiße Jupiters ein binäres, ternäres, quaternäres… System, bei dem die Masse aller beteiligten “Protosterne” außer des Zentralgestirns nicht ausreichte, um zum Fusor zu werden, erscheint mir sehr plausibel.

    Dies um so mehr, als dass multiple Sternsysteme ja nicht gerade selten sind und bei einige von ihnen auch noch Planeten nachgewisen wurden.

  15. @Carolin

    Zum Thema der Bahnen der äußeren Planeten in unserem Sonnensystem sollte nicht unerwähnt bleiben, dass ihre Akkretion nicht dort erfolgte, wo sie jetzt sind.

    Saturn, Uranus und vor allem Neptun wanderten nach außen, Jupiter dagegen nach innen. Der Grund ist der Austausch von Bahn-Drehimpuls mit kleineren Planetesimalen, die entweder aus dem inneren Sonnensystem herausgekickt (Jupiter, dessen Bahn an Energie verlor) oder vom Kuipergürtel nach innen geschickt wurden (Neptun & Co, die an Energie gewannen).

    http://arxiv.org/…stro-ph/pdf/9902/9902370v1.pdf

    Deine Erklärung, warum ein System Stern+Heiße/r Jupiter/s nicht ein fehlgezündetes multiples System sein kann, das nicht “auf allen Töpfen” läuft, habe ich nicht verstanden.

  16. @Caroline
    “wie schon gesagt, derartige Theorien sind veraltet. Unser Sonnensystem ist alles andere als das Ideal der Planetenentstehung sondern eher ein Problemfall, weil wir nicht wissen wieso unsere Gasplaneten so weit draußen sind.”

    Die Nebulartheorie ist veraltet ? Vielleicht reden wir hier aneinander vorbei. Mein Wissensstand, der sicherlich nicht dem eines Astrophysikers entspricht, ist folgender,kurz zusammengefasst, was die Entsthehung von Sonnensystemen anbelangt :

    Phase 1:
    Eine interstellare Gaswolke kontrahiert aufgrund ihrer Schwerkraft, eventuell begünstigt durch Supernovaexplosionen in der näheren Umgebung, was zu einer Verdichtung führte.

    Phase 2:
    Kontraktion, Abflachung der Scheibe, Temperaturanstieg, Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit, und hier eventuell Fragmentierung aufgrund schneller Rotation

    Phase 3:
    Kondensation, Wasserstoff und Helium bleiben gasförmig, in den inneren Bereichen des Systems können aufgrund der hohen Temperaturen nur die schwereren Elemente auskondensieren, was dann letztendlich erklärt, warum in unserem System die terrestrischen Planeten die inneren Bahnen besetzen, während die äusseren von jovianischen besetzt werden.
    Soweit ist doch die Nebulartheorie weiterhin gültig, oder ?

    Wenn ich recht verstanden habe, dann sind deine und Michaels Erklärungen für Gasriesen in geringer Entfernung lediglich eine Modifikation der Nebulartheorie, welche die Möglichkeit aufzeigt, dass sich die Bahnen der Planeten im Laufe der Zeit sowohl nach innen wie auch nach aussen verschieben können.

    Ein Widerspruch zur Nebulartheorie, nach meinem Verständnis, wäre es, wenn bewiesen werden könnte, dass sich die Hot Jupiters mit sehr geringen Bahnradien auch tatsächlich dort oder ungefähr dort gebildet hätten, und ihre geringen Bahnradien nicht das Resultat von Fragmentierungen der Molekularwolke wäre, was eine Alternativhypothese wäre.

    Meines Wissens sind, soweit feststellbar, die Bahnen der Exoplaneten auch wesentlich exzentrischer als die nahezu kreisförmigen Bahnen der Planeten unseres Systems, was ich mir aber auch als Auswahleffekt erkläre, da Doppel-oder Mehrfachsysteme ( Sonne mit massereichem Hot Jupiter in geringer Entfernung ) “irreguläre, exzentrische” Bahnen möglicherweise begünstigt ( dies nachzuweisen ist eine Aufgabe für Astrophysiker :).

    Ich hoffe, ich hab das jetzt so ungefähr “auf die Reihe gekriegt” 🙂

  17. Sternentstehung

    Hallo Michael,

    auch wenn sich Stern- und Planetenentstehung auf (astronomisch gesehen) ziemlich kurzen Zeitskalen abspielt, gibt es auch da natürlich eine Reihenfolge, in der sich die verschiedenen Prozesse abspielen, und in der kommt die Bildung eines Mehrfachsystems eben vor der protoplanetaren Scheibe in der sich die Planeten bilden.

    Fangen wir an mit der Molekülwolke, in der unsere Sterne entstehen. Dort bilden sich – Jeans-Kriterium sei Dank – “Dense Cores” oder Globulen.
    Instabilitäten in der Globule lösen einen Kollaps im freien Fall aus und Protosterne entstehen, und davon ja meistens nicht nur einer alleine sondern gleich mehrere, so daß wir hinterher eine ganze Sternassoziation haben. Das ist aber auch der Moment in dem sich entscheidet, ob wir ein Mehrfachsystem bekommen. Magnetfelder und Drehimpuls entscheiden, ob die Fragmentation weiter zuschlägt. Unser Protostern bekommt sogar schon Jets, und daß obwohl wir die Verdichtung der Wolke noch lange nicht als Stern bezeichnen würden. Diese Protosternphase (“class 0”) dauert nur ungefähr 10000 Jahre.
    In den nächsten paar 100000 Jahren der “class I”-Phase hat die Hülle des Protosterns Zeit zu schrumpfen und auszudünnen, der Stern selber kontrahiert und wird im Infraroten sichtbar. Wenn er ein Mehrfachsystem geworden ist, dann wissen wir es nun. Jets werden ausgeprägter, das Hüllenmaterial konzentriert sich langsam in Richtung einer abgeflachten Scheibe.
    Aus dem Protostern wird dann ein klassischer T-Tauri Stern (class II), der aus der ihm umgebenden Scheibe Material akkretiert. In der Scheibe selbst fängt der Fragmentationsprozess von neuem an und Planeten müssen sich innerhalb weniger Millionen Jahre bilden.
    Die ganzen protoplanetaren Scheiben, die man so hübsch in den Hubble-Aufnahmen vom Orionnebel sieht, sind class II oder III Objekte, wobei bei letzteren (den sogenannten weak-line T-Tauri Sternen) die Akkretion auf den Stern inzwischen gestoppt ist, der zwischenzeitlich die Kernfusion im Inneren gestartet hat und das Scheibenmaterial durch starke Sternwinde auseinandertreibt.

    Insofern haben Planeten- und Mehrfachsysteme nach unserem Verständnis einen anderen Ursprung um Lauf der Entstehung des Sternsystems. Eine kritische Frage ist daher, ob sich im Zuge der ersten Fragmentation auch ein kleiner Körper bilden, der zum Schluß “nur” Planetengröße erreicht. Das ist allerdings eher unwahrscheinlich, denn eigentlich sollte er selber durch Kontraktion und Akkretion darüber hinaus wachsen und ein Stern oder zumindest ein Brauner Zwerg werden oder aber vorzeitig durch gravitative Instabilitäten aus dem System geworfen werden.

    Dummerweise verraten uns die superschweren Planeten und Braunen Zwerge, die sowohl für das eine als auch für das andere Entstehungszenario in Frage kämen, heute nicht mehr, ob sie ein Kind der Phasen O/I oder II/III gewesen sind. Aus diesem Grund wird heute viel Statistik mit solchen low-mass companions gemacht um zu sehen, ob und an welcher Stelle sich zwei verschiedene Populationen auftun. Genauso hat man junge Sterne und besonders die klassischen T Tauris im Auge wenn es darum geht Planeten zu entdecken. T Tauri-Mehrfachsysteme sind eine ganze Menge bekannt, an den Planeten wird noch gearbeitet 🙂

  18. Nebulartheorie II

    Hallo Peter,

    laß mich ein paar Korrekturen an deiner Nebulartheorie (der Name als solches ist mir im übrigen völlig unbekannt) anbringen:

    Die Fragmentation zu Mehrfachsystemen findet zu einem Zeitpunkt statt, an dem unser “Ur-Stern” mit seiner Hülle noch eine Ausdehnung von mehreren 10000 Astronomischen Einheiten hat. Er rotiert bereits, und der Drehimpuls läßt die Drehung im Zuge der Kontraktion schneller werden. Jede Abweichung der protostellaren Wolke von der Kugelform macht deshalb eine Fragmentation in mehrere Teile leichter, aber komplett abgeflacht ist das System noch nicht. Auch die klassische Akkretionsscheibe direkt um den Stern beginnt gerade erst sich herauszubilden.

    Natürlich ist die Entstehung der Gasriesen in unmittelbarer Nähe des Sterns später dann nicht möglich. Grundsätzlich wird aber kaum ein Planet dort bleiben wo er entstanden ist, Wanderungen sind die Regel. Insofern könnten also beispielsweise auch die erdähnliches Planeten im Sonnensystem viel weiter draußen mit einer dichteren Gashülle entstanden sein, die fortgeblasen wurde, als die noch unfertigen Protoplaneten nach innen migrierten.

    Unser Problem ist warum die Planeten dort “stehengeblieben” sind, wo sie jetzt sind. Heutigen Modellen nach hätte der Jupiter viel weiter nach innen wandern müssen.

  19. Vielen Dank

    Hallo Caroline
    Vielen Dank an dieser Stelle für deine geduldige Haltung und freundlichen Auskünfte zu meiner endlosen Fragerei 🙂

    “laß mich ein paar Korrekturen an deiner Nebulartheorie (der Name als solches ist mir im übrigen völlig unbekannt) anbringen:”

    Im Buch Astronomie von Pearson, herausgegeben von Harald Lesch, wird der Ausdruck “Nebularhypothese”, auch Kant – Laplace – Hypothese genannt, benutzt, sozusagen als die Ursprungshypothese, auf welcher spätere Hypothesen aufbauten, welche den Gravitationskollaps einer interstellaren Gaswolke bei der Entstehung eines Sonnensystems vorraussetzen.

    Schöne Grüsse und einen guten Rutsch ins neue Jahr
    Peter

  20. @Peter

    Ahhh. Unter dem Namen Kant-Laplace’sche Theorie kommt mir das ganze schon viel bekannter vor.

    Wenn man so will ist das tatsächlich die Mutter der aktuellen Entstehungstheorien unseres Sonnensystems. Zu Zeiten von Kant und Laplace waren die Ansätze der beiden etwas völlig neues und außergewöhnliches, denn alle anderen Ideen über den Ursprung von Erde und Sonne kamen an einem Schöpfergott nicht vorbei.

    Wenn ich dagegen heute sage, daß sie veraltet ist, meine ich damit nicht, daß man sie komplett über den Haufen werfen muß. Es ist eher so, als wie wenn man das Statement “die Erde kreist um die Sonne” anbringt. Das ist durchaus angebracht, wenn es darum geht jemanden zu überzeugen, der glaubt, daß es die Sonne ist, die sich um die Erde bewegt. Wenn man es aber genau nimmt, dann kreisen Erde und Sonne eben um ihren gemeinsamen Schwerpunkt.

    Die Kosmogonie des Sonnensystems bekam nach Kant und Laplace in den 60er Jahren erst wieder richtig Aufwind durch die Modellrechnungen zur Sternentstehung des Japaners Hayashi. Seit den 90ern rückt man den Proto- und T-Tauri Sternen nicht nur beobachterisch sondern auch mit detailliertesten Modellrechnungen zu Leibe. Stern- und Planetenentstehung ist eben ein heißes Eisen der Astrophysik derzeit.

    Silvesterliche Grüße von Carolin ohne e 😉

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