Exoplaneten-Skepsis: Alpha Centauri Bb

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… aber nicht einfacher
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Nachrichten wie “Ergebnis XY doch nicht so spektakulär wie ursprünglich angenommen” (oder gar “…wie an dieser Stelle berichtet”!) dürften es nicht leicht haben, in den Medien Platz zu finden. Dadurch entsteht zum Teil ein schiefes öffentliches Bild der Forschung. Ein schönes Beispiel: der Planetenkandidat um Alpha Centauri B. Den vorliegenden Blogbeitrag, in dem ich auf die Nachweisschwierigkeiten im Falle Alpha Centauri Bb näher eingehe, hatte ich schon länger vorbereitet; jetzt, wo das Thema durch KosmoLogs-Kollege Jan Hattenbach öffentlich(er) geworden ist  – durch seinen Blogbeitrag hier und einen Artikel von ihm in der FAZ vom 23.4.2014, Seite N1, “Wie kann ein Planet einfach verschwinden?”, seit heute auch online – scheint mir der richtige Zeitpunkt gekommen, ihn fertig- und online zu stellen.

Ein Planet um Alpha Centauri B?

Es ist jetzt anderthalb Jahre her, dass die Mitteilung veröffentlicht wurde, Forscher hätten bei dem fast erdnächsten Stern Alpha Centauri B einen Planeten entdeckt. Der gängigen Bezeichnungsweise folgend zeigt das “B” dabei an, dass es sich um einen Stern in einem Mehrfachsystem handelt (Einzelsterne solcher Systeme haben A, B, C… als Zusatz), und der (erste) Planet, den man um Alpha Centauri B nachweisen kann, bekommt die Bezeichnung Alpha Centauri Bb (also noch ein kleines “b” hintendran).

Hier ist z.B. die entsprechende Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte (ESO): Planet in sonnennächstem Sternsystem entdeckt, vom 16. Oktober 2012. [Offenlegung: Das Haus der Astronomie, wo ich arbeite, ist deutscher Knoten des ESO Science Outreach Networks und war als solches auch mit der Übersetzung dieser Pressemitteilung ins deutsche befasst.] Der Fachartikel, der von Xavier Dumusque und Kollegen stammt, ist hier. Die Meldung zog in den deutschen Medien verständlicherweise weite Kreise: ZEIT, Süddeutsche, Welt, Focus, Spiegel, überall Berichte über den erdnächsten neuen Exoplaneten (vgl. die Aufstellung hier).

Aber neue Exoplaneten-Entdeckungen bieten eigentlich immer Spielraum für’s kritische Hinterfragen. Die meisten Entdeckungen beruhen auf indirekten Methoden, und es spielen Störeinflüsse eine Rolle, die die Anwesenheit eines Planeten vortäuschen können. Je nach Dauer der Beobachtungen, Qualität der Daten und der Art und Weise, wie die diversen Fehlerquellen berücksichtigt wurden, kann die Irrtumswahrscheinlichkeit geringer oder auch größer sein. Detaillierte Standards dafür, ab wann ein Exoplanet als sicher nachgewiesen gilt, gibt es meines Wissens derzeit noch nicht.

Die Radialgeschwindigkeitsmethode

Der Planetenkandidat Alpha Centauri Bb, um den es hier geht, wurde mit der Radialgeschwindigkeitsmethode gefunden. Diese Methode nutzt aus, dass bei genauerer Betrachtung eben nicht der (bewegte) Planet um den (unbewegten) Stern umläuft, sondern Planet und Stern beide um den gemeinsamen Schwerpunkt.

Sternmassen sind ungleich größer als Planetenmassen. Deswegen liegt der Schwerpunkt deutlich näher am (bzw. sogar im!) Stern. Beim gemeinsamen Kreisen um den Schwerpunkt – Stern und Planet vom Schwerpunkt aus jeweils auf entgegengesetzten Seiten – bewegt sich der Stern deswegen bei weitem nicht so schnell und so weit wie der Planet.

Zahlenwerte dazu kann man recht einfach ausrechnen: Ist a der mittlere Abstand eines Planeten von seinem Stern (da kann man den Wert der “großen Halbachse” der Planetenbahn einsetzen), T die Umlaufzeit des Planeten, mp die Masse des Planeten und m* die Masse des Sterns, dann bewegt sich der Planet auf einer Bahn mit Radius

rplanet

mit einer Geschwindigkeit

vplanet

und der Stern auf einer Bahn mit Radius

rstar

mit der Geschwindigkeit

vstar

(Dass Planetenbahnen keine Kreisbahnen, sondern Ellipsenbahnen sind, haben wir dabei vernachlässigt; das fällt für eine Abschätzung aber auch nicht ins Gewicht.)

Für Jupiter zum Beispiel ist gerundet a = 780 Mio. km, T = 4300 Tage, mp = 2 mal 1027 kg. Gäbe es im Sonnensystem nur Jupiter und die Sonne (deren Masse 2 mal 1030 kg beträgt, dann würde sich die Sonne mit einem Abstand von r* = 780 000 km vom gemeinsamen Schwerpunkt (Schwerpunkt liegt ganz knapp über der Sonnenoberfläche!) mit einer Bahngeschwindigkeit von 13 Metern pro Sekunde um den Schwerpunkt bewegen.

Bei der Erde ist a = 150 Mio. km, T = 365 Tage, mp = 6 mal 1024 kg, und wenn es im Sonnensystem nur die Erde und die Sonne gäbe, würde die Sonne um den r* = 450 km von ihrem Mittelpunkt entfernten gemeinsamen Schwerpunkt mit einer Bahngeschwindigkeit von rund 9 Zentimetern pro Sekunde umlaufen. In dieser Größenordnung liegt auch der Beitrag der Erde zu derjenigen Bewegung, welche die Sonne aufgrund der gemeinsamen Gravitationswirkung aller Planeten des Sonnensystems ausführt.

Bei Planetensystemen, die zufällig so ausgerichtet sind, dass wir sie direkt von der Seite beobachten, bewegt sich der Stern zeitweise aufgrund des an ihm ziehenden Planeten mit der genannten Geschwindigkeit auf uns zu bzw. von uns weg. Sehen wir das System nicht direkt von der Seite, aber ungefähr, ist der Effekt entsprechend schwächer, aber nach wie vor vorhanden.

Solche Geschwindigkeiten auf uns zu oder von uns weg beeinflussen das Licht des Sterns: Dessen Wellenlänge wird aufgrund des Dopplereffekts bei einer Bewegung des Sterns auf uns zu hin zu kürzeren Wellenlängen verschoben (Blauverschiebung), bei Bewegung von uns weg zu längeren Wellenlängen (Rotverschiebung).

Günstigerweise gibt es in den Spektren von Sternen – in der Aufspaltung des Sternenlichts in die unterschiedlichen Wellenlängen – markante dunkle Linien, die ganz bestimmte Wellenlängen markieren. Anhand der Verschiebung dieser Linien kann man über den Dopplereffekt die Bewegung des Sterns auf uns zu bzw. von uns weg nachmessen, und so wiederum die Anwesenheit des Planeten nachweisen. So funktioniert die Radialgeschwindigkeitsmethode zum Nachweis von Exoplaneten, um die es im Falle von Alpha Centauri B geht. Hier gibt es eine schöne interaktive Animation, in die man selbst für unterschiedliche Parameter den Zusammenhang von Radialgeschwindigkeit und Bahnbewegung nachvollziehen kann.

Wie trennt man das Signal vom Rauschen?

Freilich gibt es bei Nachweisen mit der Radialgeschwindigkeitsmethode bestimmte Fehlerquellen. Neben denjenigen Spuren in den Daten, welche die Anwesenheit eines Exoplaneten anzeigen, also dem “Signal”, gibt es noch das “Rauschen”. Dieser Begriff bezeichnet Dateneigenschaften, die nicht durch die Anwesenheiten des Planeten zustandekommen und im ungünstigsten Falle fälschlicherweise vortäuschen können, dass da ein Exoplanet ist – während dieser Planet in Wirklichkeit gar nicht vorhanden ist. Das wäre ein falscher Alarm.

Das Hauptproblem ist dabei nicht die Empfindlichkeit der Instrumente – die sind inzwischen so gut, dass sich anderere Störeffekte in den Vordergrund drängen: Eigenschaften der Sterne selbst. Sterne sind nämlich nicht nur leuchtende Kugeln mit homogener Oberfläche, sondern zeigen einiges an Aktivität. Genau wie unsere Sonne Sonnenflecke aufweist, also dunklere Stellen auf ihrer Oberfläche, können Sterne Sternflecken besitzen. Genau wie bei der Sonne können sich Plasmabögen bilden, und Materie kann von der Sternoberfläche in den Weltraum geschleudert werden.

Sternflecken, Sternaktivität, aber auch der Umstand, dass bestimmte Sternoberflächen ähnlich wie kochendes Wasser brodeln (Konvektion) verzerren jeweils die Spektrallinien, die sich an einem Stern messen lassen. Die Störungen entsprechen einer Unsicherheit bei der Radialgeschwindigkeitsbestimmung von etwa 50 cm/s bis 1 m/s. Im Vergleich mit den oben abgeschätzten Werten heißt das: für einen erdähnlichen Planeten auf erdähnlicher Umlaufbahn um einen sonnenähnlichen Stern sind solche Störungen ein großes Problem, für einen jupiterähnlichen Planeten auf jupiterähnlicher Umlaufbahn ein eher kleiner Effekt.

Ein Kommentar frei haus

Der Fachartikel, der die Entdeckung von Alpha Centauri Bb beschreibt, ist in der Fachzeitschrift Nature erschienen. Man kann dieser Zeitschrift durchaus kritisch gegenüberstehen – siehe z.B. den Boykottaufruf des Nobelpreisträgers Randy Schekman; unter Astronomen macht seit einiger Zeit sogar der Schnack “That was in Nature? It has to be wrong!” die Runde (vgl. Shit Astronomers Say). Aber Nature bietet unter anderem diesen nicht zu unterschätzenden Mehrwert: die Redaktion lässt zu wissenschaftlich besonders interessanten Artikeln einer Ausgabe Kommentarartikel von anderen Wissenschaftlern schreiben, die dann in derselben Ausgabe zu finden sind.

Im Falle von Alpha Centauri Bb stammt der Kommentar von Artie Hatzes, dem Direktor der Thüringer Landessternwarte Tautenburg. Dass Hatzes darin jeweils vom “Exoplanetenkandidaten” um Alpha Centauri B spricht, sollte bereits aufhorchen lassen. Hatzes geht auf die Herausforderungen dieses speziellen Nachweises ein und insbesondere auf die Probleme, das Signal des Exoplaneten in diesem Falle aus dem Rauschen der sonstigen Einflüsse herauszuschälen. In diesem Falle seien die Hinweise auf den Planeten nicht deutlich genug, um bereits von einem Nachweis zu reden – es handle sich um ein “schwaches Signal [des Planeten] vermischt mit einem größeren, komplizierten Signal [der weiteren Einflüsse]”, und die Angelegenheit sei aus Hatzes Sicht noch nicht entschieden. Weitere Analysen und neue unabhängige Messungen seien nötig, bis man den Planetenkandidaten als bestätigt ansehen könne.

In der Berichterstattung ist die kritische Sicht von Hatzes leider weitgehend untergegangen. Nur in der Süddeutschen, im Stern und der Augsburger Allgemeinen wird Hatzes überhaupt zitiert (vgl. meine Aufstellung hier). In den anderen sechs Artikeln wird die Entdeckung nicht hinterfragt. Besonders ungünstige Wortwahl liefert DIE WELT: “Fest steht: Es gibt in der Tat mindestens einen Planeten im Sternsystem Alpha Centauri.” – gemeint ist zwar: relativ zu den Spekulationen z.B. um Leben auf diesen Planeten, aber angesichts der möglichen Probleme mit der Entdeckung ist das natürlich keine glückliche Formulierung.

Ein flüchtiger Planet?

Im Mai 2013 hat Hatzes im gemeinsamen Kolloquium der Heidelberger astronomischen Institute zu dem Thema, wie man unter all dem Rauschen einen Planeten findet (oder eben nicht) einen Vortrag gehalten. Die Organisatoren stellen dankenswerter Weise Videos der Vorträge ins Netz, die auf dem YouTube-Kanal Astronomy Heidelberg abrufbar sind. Hier ist der Vortrag von Hatzes in Gänze zu sehen:

Der zugehörige Fachartikel von Hatzes, “The Radial Velocity Detection of Earth-mass Planets in the Presence of Activity Noise: The Case of α Centauri Bb”, erschien einen Monat später im Astrophysical Journal (hier der ADS-Datenbank-Eintrag).

Im Falle des Planetenkandidaten Alpha Centauri Bb, so Hatzes, seien die Störungen aufgrund der Sternaktivität rund 2-3 mal größer als der Effekt des Planeten auf die gemessene Radialgeschwindigkeit. Das ist ernst, aber nicht so hoffnungslos, wie es zunächst klingen mag, denn der Effekt des Planeten ist schön regelmäßig, und wie er sich bemerkbar macht ist für jeden Umlauf des Planeten gleich. Die meisten Störungen dürften dagegen im allgemeinen keine solch regelmäßigen Veränderungen zeigen. So kann man zumindest solche Störungen und den Effekt eines Planeten auseinanderhalten. Die Schwierigkeit besteht darin, diejenigen Störungen, die sich gleichfalls regelmäßig ändern, oder aufgrund zufälliger Fluktuationen zeitweise eine regelmäßige Änderung vortauschen, herauszufiltern.

Ab etwa 26:00 geht es in dem Video direkt um Alpha Centauri Bb. Hatzes hat die Daten mit verschiedenen Methoden neu analysiert und Ergebnisse erhalten, deretwegen er auf einer Folie denn auch “Be skeptical! Be very skeptical!” schreibt.

Dass die Methoden funktionieren, hat Hatzes unter anderem getestet, indem er künstliche Planetensignale zu den Dateten mischte und mit seinen Methoden sauber wieder aus den Daten (inklusive dem darin enthaltenen Störeffekten und dem Rauschen) herausholte. Solche Simulationen geben einen guten Anhalt dazu, wie einfach oder schwierig es ist, ein Planetensignal aus den Störeffekten des betreffenden Sterns herauszufiltern. Allerdings zeigt sich dabei ein deutlicher Unterschied zu dem Nachweis des Planetenkandidaten. Dessen Spuren sind nämlich deutlich schwächer in den Daten zu sehen, als man es für einen echten Planeten erwarten würde.

Auch bei der Berücksichtigung der Störungen ergibt sich ein sonderbarer Effekt. Die Hauptrolle bei den Störungen spielen die Sternflecken, und deren Einfluss auf das Licht ändert sich, weil der Stern sich um sich selbst dreht – mal sind die Sternflecken in Sicht, dann rotieren sie wieder außer Sicht. Insgesamt dreht sich der Stern den Daten nach alle 38 Tage um sich selbst. Der Planetenkandidat hat eine Umlaufzeit, die deutlich kürzer ist und nur bei knapp über 3 Tagen liegt.

Das legt folgende Vorgehensweise nahe: Die Beobachtungen von Dumusque und Kollegen von Alpha Centauri kommen in Blöcken, die jeweils einige Tage lang sind. Diese Blöcke folgen manchmal im Abstand von einigen Tagen aufeinander; oft sind die Abstände aber deutlich größer: 10, 20, 30 Tage, auch mehr als 50 Tage kommen vor. Die längerfristigen Trends während jedes Beobachtungsblocks – z.B. ob die Datenpunkte alle entlang einer Geraden ansteigen – können nicht auf den Planetenkandidaten zurückgehen, denn dessen Änderungen beeinflussen die Kurve ja nur auf deutlich kürzeren Zeitskalen (sprich: sein Einfluss wiederholt sich alle 3-komma-nochwas Tage). Hatzes hat nun in jedem Beobachtungsblock individuell diese längerfristigen Trends abgezogen (“local trend fitting”). Eigentlich sollte der Planetennachweis anschließend deutlicher gelingen – schließlich sind die störenden Einflüsse nach der Trend-Eliminierung geringer als vorher. Stattdessen stieg die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem Planetenkandidaten nicht um einen Planeten, sondern um einen falschen Alarm handelte, mit dieser Methode auf beachtliche 40%.

Hinzu kommt, dass hängt das Ergebnis offenbar sehr stark von einigen wenigen der Datenpunkte abhängt. Insbesondere gibt es da eine Gruppe von 21 Datenpunkten in zwei aufeinanderfolgenden Beobachtungsgruppen, die ungewöhnlich wichtig zu sein scheinen. Je nachdem, welche dieser Datenpunkte man außen vor lässt, bekommt man für eine Auswertung der gesamten Beobachtungsdaten (insgesamt 459 Messpunkte!) eine Wahrscheinlichkeit für falschen Alarm zwischen 0,3 Prozent und 50 Prozent. Das ist eine riesige Variationsbreite in Abhängigkeit von nur 5% der ganzen Daten.

Insgesamt (und ich habe nicht alle seine Argumente hier wiedergegeben) kommt Hatzes zu dem Schluss: Der Nachweis des Planetenkandidaten Alpha Centauri Bb hängt davon ab, wie man die Sternaktivität modelliert. Bei dem Verfahren, das die Aktivität am besten nachbildet, ist kein Planetensignal zu sehen. Die Spuren des Planetenkandidaten könnten sich durch die Kombination von zufälligem Datenrauschen, Variationen der Sternaktivität, und der von Dumusque und Kollegen gewählten Auswertungsmethode erklären lassen.

Hatzes fasst mit abgewandeltem Filmzitat zusammen: “Alpha Centauri Bb: you have been terminated” – aber vielleicht sei das ja zu streng geurteilt, fügt er gleich hinzu, denn mit neuen Daten könnten auch überzeugende Spuren eines Planetenkandidaten auftauchen. Deswegen wählt Hatzes dann doch lieber ein anderes Zitat: “Hasta la vista, B b!”

…und was sagen die amerikanischen Planetenjäger?

Ins öffentliche Blickfeld gerückt (siehe die eingangs zitierten Beiträge von Jan Hattenbach) ist Alpha Centauri Bb dieser Tage nicht wegen der statistischen Auswertung, sondern wegen weiterer Beobachtungsdaten. Es gibt beim Nachweis von Exoplaneten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode zwei große, marktbeherrschende Forschergruppen. Das eine ist die europäische um Michel Mayor, Didier Queloz, Stephane Udry und Kollegen, die derzeit vor allem den Exoplanetenjäger HARPS am 3,6-Meter-Teleskop der ESO in Chile nutzen. Das andere ist die US-amerikanische Gruppe um Geoff Marcy, Paul Butler und Debra Fischer. Zwischen diesen beiden Gruppen besteht gesunde Konkurrenz, und je nachdem, um welche Entdeckung es ging – erster Exoplanet um normalen Stern überhaupt (Mayor et al.), erstes Mehrfachsystem (Marcy et al.) und so weiter – hatte mal die eine, mal die andere Gruppe die Nase vorn.

Die Alpha Centauri Bb-Entdeckung gelang der europäischen Gruppe. Die US-Gruppe, Debra Fischer und Kollegen, hatten Alpha Centauri B über die letzten Jahre zwar auch unter Beobachtung gehabt. Aber als Dumusque et al. ihre Entdeckung 2012 bekanntgaben, hatten Fischer et al. den Planeten in ihren eigenen Daten nicht gefunden (zugegeben, zu jenem Zeitpunkt waren das fünf Mal weniger Daten als bei den Europäern). Wie in diesem Blogbeitrag hier von Bruce Betts von der Planetary Society beschrieben (die Fischers Beobachtungen offenbar finanziell unterstützt) hat sich das trotz verstärkter Bemühungen der Amerikaner nicht geändert.

Allerdings sollte man diesen Nicht-Nachweis nicht zu hoch hängen. Fischer beschreibt Kalibrationsprobleme ihres Instruments als limitierenden Faktor; sie würde zwar erwartet haben, den Planetenkandidaten auch in ihren eigenen Daten zu sehen, aber ihr Instrument sei nicht genau genug, um den Kandidaten definitiv ausschließen zu können. Ein Teil des Puzzles ist eben auch, dass die Europäer mit HARPS derzeit ein Instrument zur Verfügung haben, dass der Konkurrenz technisch noch etwas voraus ist; im Prinzip kann der Nicht-Nachweis auch an diesem Unterschied liegen.

Derzeit, 2014, stehen die Sterne Alpha Centauri A und B erst einmal wieder zu dicht am Himmel zusammen, als dass sich weitere Messungen durchführen ließen – das Licht von Alpha Centauri A würde die Messungen an Alpha Centauri B zu sehr stören. Nach 2015 beginnen sie wieder, sich voneinander zu entfernen. Bis ein paar Jahre danach wieder Präzisionsbeobachtungen möglich sind, sollten sowohl die amerikanische als auch die europäische Gruppe Instrumente in Stellung gebracht haben, welche die Frage nach der Existenz von Alpha Centauri Bb definitiv werden klären können.

Aber das liegt noch in der Zukunft. Bis dahin sollte die Frage im Vordergrund stehen, wie belastungsfähig der Nachweis des Planetenkandidaten in den bereits jetzt vorhandenen Daten überhaupt ist. Da liefert Hatzes einige starke Gründe zur Skepsis. Und auch wenn solche Argumente natürlich deutlich schwieriger zu vermitteln sind als neue Beobachtungsdaten – Statistik! Rauschen! Periodizitäten! Störeinflüsse! – sollten sie ihren Weg in die Medien finden. In der jetzigen Situation, in der zwar fast jede spektakuläre neue Entdeckungs-Behauptung weite Verbreitung findet, aber die Probleme weitgehend außen vor bleiben, entsteht jedenfalls ein deutlich verzerrtes Bild des Forschungsstandes.

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

3 Kommentare

  1. “In der Berichterstattung ist die kritische Sicht von Hatzes leider weitgehend untergegangen” – also hier sicher nicht, möchte ich mal erinnern. Und über den Nichtnachweis durch meine amerikanische Namensvetterin berichtete ich auch desöfteren, dito über eine dritte Gruppe auf Neuseeland, die ebenfalls vergeblich nach Planeten von Alpha Cen suchte und inzwischen wieder von der Bildfläche verschwand.

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