1995 wurde der erste Exoplanet außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Er erhielt den Namen 51 Pegasi b, später Dimidium. Hier die Vorstellung eines Zeichners.
Foto: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger

BerlinIrgendwo da draußen muss es sie doch geben, die Geschwister der Erde. Aber wo sollen Astronomen unter den schätzungsweise 200 Milliarden Sternen in der Milchstraße suchen? Seit der ersten Beobachtung eines extrasolaren Planeten im Jahr 1995 durch die Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz haben Forscher schon über 4 000 Exoplaneten aufgespürt.

Für ihre Pionierentdeckung wurden die beiden Wissenschaftler in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Eine zweite Erde hat sich bislang aber nicht gezeigt.

Zu hohe Temperaturen

Etwa 96 Prozent der bekannten Exoplaneten sind deutlich größer als die Erde. Die meisten sind Gasriesen wie Jupiter, Saturn, Neptun und Uranus. Von den festen Planeten umkreisen die meisten ihren Mutterstern entweder auf sehr engen Bahnen, dann herrschen auf ihnen zu hohe Temperaturen für die Entwicklung von Leben. Oder sie ziehen als Eiswelten weit draußen ihre Bahnen.

Auch auf den wenigen bekannten Exoplaneten, die den richtigen Abstand haben, herrschen vermutlich kaum lebensfreundliche Bedingungen. Die meisten ihrer Muttergestirne sind hochaktive Zwergsonnen. Mit ihren energiereichen Strahlungsausbrüchen sterilisieren sie die Oberfläche ihrer Planeten.

Wo findet sich ein Gesteinsplanet, der im richtigen Abstand um einen ruhigen Stern kreist, ein Planet, der nicht zu groß und zu nicht zu klein ist, um Landmassen und Ozeane und damit die Basis für die Entwicklung von Leben auszubilden?

Kein Leben ohne Magnetfeld

Die Suche nach der Erde 2.0 ist zum heiligen Gral der Astrophysik avanciert und hat es bis in die täglichen Nachrichten geschafft. So wie der Exoplanet, den US-Astronomen vor kurzem entdeckt haben. Er beherbergt Wasserdampf in seiner Atmosphäre. Eine Kopie der Erde ist auch er nicht, denn der Planet ist zu groß und nicht dicht genug.
Mit immer ausgefeilteren Techniken gehen die Forscher auf die Jagd.

Besonders ergiebig ist die Transitmethode: Dabei wird die Tatsache genutzt, dass Exoplaneten von der Erde aus gesehen auf ihrer Bahn regelmäßig vor ihrem Heimatstern vorbeiziehen. Lichtschwankungen von nur wenigen Promille lassen auf ihre Größe schließen. Weil auch ihre Atmosphäre vom Sternenlicht durchleuchtet wird, ermöglicht das unter bestimmten Bedingungen Aussagen über die chemische Zusammensetzung.

Diese Methode nutzt auch die Nasa mit ihrem jüngsten Weltraumteleskop Tess (Satellit zur Erfassung vorüberziehender Exoplaneten), das seit Mai 2018 in Betrieb ist. Es verfügt nicht wie seine Vorgänger über ein einzelnes großes Teleskop, sondern ist mit vier kleineren Teleskopen ausgerüstet. Damit kann es einen viel größeren Himmelsausschnitt gleichzeitig beobachten und so schneller Exoplaneten aufspüren.  

Das neueste Nasa-Weltraumteleskop Tess für die Suche nach Exoplaneten.
Simulation: NASA

Eine Strategie, auf die auch die europäische Weltraumorganisation Esa mit ihrer Mission Plato (Planetare Transite und Oszillationen von Sternen) setzt. Der Satellit soll 2026 in Betrieb gehen. Mithilfe von 26 kleinen Teleskopen soll er bis zu einer Million Sterne auf mögliche Planeten untersuchen und Kenndaten wie Masse, Durchmesser und Umlaufbahn der einzelnen Himmelskörper ermitteln. Schwerpunkt der Mission ist die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten, die um sonnenähnliche Sterne kreisen.

„Wir sind an Gesteinsplaneten mit einem Eisenkern wie unsere Erde interessiert, nicht an Gasplaneten“, sagt Planetenforscherin Heike Rauer vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das die Mission leitet. Gesteinsplaneten mit Eisenkern können ein Magnetfeld ausbilden, das die Oberfläche vor energiereicher Strahlung aus dem All abschirmt. Es bildet eine der Voraussetzungen für die Entwicklung von Leben.


Ozeanplaneten

  • Cheops. So heißt eine Esa-Mission, die noch in diesem Dezember starten soll. Cheops (Satellit zur Charakterisierung von Exoplaneten) nimmt mehrere Hundert bekannte Exoplaneten ins Visier, um ihre Dichte präzise zu bestimmen
  • Wasserwelten. Berechnungen zeigen, dass etwa 35 Prozent aller bekannten Exoplaneten, die größer sind als die Erde, wahrscheinlich Wasserwelten sind. Sie unterscheiden sich von erdähnlichen Planeten mit fester Oberfläche
  • Tiefe. Der flächendeckende Ozean könnte Tausende Kilometer tief sein und bis zum Kern des Planeten reichen. Der Druck würde das Wasser zu einer festen, exotischen Eisform pressen. Höheres Leben wäre kaum möglich.

Für die Evolution erdähnlicher Planeten ist das Alter des Muttersterns von Bedeutung, besagen physikalische Modelle. Diese beruhen auf den Verhältnissen in unserem Sonnensystem. „Inzwischen hat sich jedoch gezeigt, dass die Vielfalt von extrasolaren Planeten und Planetensystemen traditionelle Vorstellungen übersteigt“, sagt Rauer.

Deshalb soll Plato auch das Alter der Sterne, um die Planeten kreisen, präzise bestimmen. Nur der Blick in das Innere eines Sterns verrät, wie viel Brennstoff er schon verbraucht hat – und damit sein Alter. Deshalb führt Plato astroseismische Messungen durch. Kleinste Veränderungen des ausgestrahlten Lichts verraten charakteristische Schwingungen im Innern des Sterns. Sie lassen Rückschlüsse auf Prozesse bei der Kernfusion und damit auf den Brennstoffvorrat und das Alter des Sterns zu. Mit Hilfe der Daten können die Forscher ihre Modelle zur Planetenevolution anpassen.

Wie die Entdeckungen zeigen, sind viele Gesteinsplaneten deutlich größer und massereicher als die Erde. Von der Masse des Planeten hängt ab, ob er eine ausreichend dichte Atmosphäre dauerhaft festhalten kann und wie lange der Wärmevorrat im Innern ausreicht, um Umwälzungen auf der Oberfläche wie die Bewegung von Kontinenten anzutreiben.

Erdähnliche Exoplaneten

Das Recycling der Gesteine durch die Plattentektonik hat auf der Erde erhebliche Auswirkungen auf ein lebensfreundliches Klima. Das Recycling entzieht der Planetenoberfläche für sehr lange Zeiträume große Mengen von in den Gesteinen gespeichertem Kohlendioxid und wirkt so als Wärmeregulator.

Modelle, mit denen die Forscher den inneren Aufbau von erdähnlichen Exoplaneten nachbilden, zeigen, dass ein solcher Kreislauf nur möglich ist, wenn deren Durchmesser höchstens das Doppelte des Erddurchmessers beträgt. Das macht auch einige der neu entdeckten sogenannten Supererden zu aussichtsreichen Kandidaten für belebte Welten.

Wie sich die Atmosphären von Exoplaneten chemisch zusammensetzen, soll die für 2028 geplante Esa-Mission Ariel (Infrarot-Durchmusterung und Fernerkundung von Exoplanetenatmosphären) herausfinden. Dazu beobachtet ein Teleskop an Bord des Satelliten Hunderte Exoplaneten im sichtbaren und im infraroten Licht, sobald diese an ihrem Stern vorüberziehen. Ein Spektrometer spaltet die Strahlung in einen „Regenbogen“ auf, in dem dann die chemischen Fingerabdrücke von Atmosphärengasen als charakteristisches Linienmuster auftauchen.

Analyse von Supererden

Mit Hilfe von Infrarot-Beobachtungen lassen sich nicht nur Ausdehnung und Wärmezirkulation in den Planetenatmosphären präzise nachweisen. Auch Gase in der Hülle der Planeten, die mit Lebensprozessen in Zusammenhang stehen können, darunter Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan, verraten sich.

Die Mission konzentriert sich auf die Analyse von Supererden, die vergleichsweise nahe ihr Gestirn umkreisen. Auf ihnen können Temperaturen wie auf der Venus herrschen. Die Untersuchung solcher „warmen“ Welten ermöglicht den Nachweis von gasförmigen Metallverbindungen, wie sie in Mineralien der Erde vorkommen. Das lässt erstmals Aussagen darüber zu, wie stark die Planeten im Aufbau der Erde ähneln.

Neues Spiegelteleskop

Auch vom Boden aus lässt sich auf viele Lichtjahre entfernten Planeten einiges entdecken. Große Hoffnungen weckt das E-ELT-Teleskop. Wenn das von der Europäischen Südsternwarte in Chile betriebene Spiegelteleskop 2024 fertiggestellt ist, wird es mit einem Durchmesser von 39 Metern das größte und lichtstärkste der Erde sein.

„Damit können wir Strukturen auf marsgroßen Exoplaneten wie Gebirgszüge, große Schluchten und Krater oder Vulkane ausmachen“, sagen die US-Astronomen Moiya McTier und David Kipping. Sie haben eine neue Methode entwickelt und in Computersimulationen getestet. Das Verfahren stellt höchste Ansprüche an die Bildauflösung, denn es wertet geringste Helligkeitsunterschiede aus, wenn sich ein Exoplanet beim Transit vor seinen Mutterstern schiebt.

Dafür benötigt es die Daten einiger Hundert Vorübergänge. „Das Verfahren liefert kein Foto des Planeten, denn es funktioniert indirekt“, erklärt Moiya McTier. „Hohe Berge etwa werfen lange Schatten. Die können wir in den Daten erkennen“, sagt die Wissenschaftlerin. „Damit können wir keine direkten Anzeichen für Leben finden. Aber wir können zu einem gewissen Grad sagen, ob der Planet ein Hort für Leben ist.“