Eine ferne Sonne mit ihren Planeten künstlerisch dargestellt. Das Teleskop Cheops misst winzige Helligkeitsänderungen, die entstehen, wenn ein Planet vor seinem Zentralstern durchzieht.
Grafik: ESA

BerlinDer jüngst in Stockholm verliehene Physik-Nobelpreis an Michel Mayor und Didier Queloz war überfällig. 1995 hatten sie den ersten Planeten entdeckt, der um einen fernen, der Sonne ähnlichen Stern kreist. Es war eine wissenschaftliche Sensation ersten Ranges, die einen außergewöhnlichen Aufbruch in der Astronomie zur Folge hatte. Mit Teleskopen am Boden und im Weltraum machten sich Forscher auf die Suche nach weiteren Sternbegleitern. Derzeit sind mehr als 4000 Exoplaneten bekannt, und die Suche nach einer „zweiten Erde“ ist in vollem Gange.

Für Dienstagvormittag war die nächste Etappe für Erforschung der Exoplaneten geplant. Im europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana sollte eine Sojus-Rakete ein Teleskop namens Cheops in eine Erdumlaufbahn schießen. Das Teleskop wurde gebaut, um bekannte Exoplaneten untersuchen. Beteiligt an der Mission sind Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Berlin-Adlershof. Doch es gab technische Probleme und der Countdown wurde knapp anderthalb Stunden vor dem Start gestoppt. Nun hoffen die Beteiligten auf einen baldigen neuen Termin. 

Schon die ersten Exoplaneten offenbarten, dass unser Planetensystem keinesfalls typisch ist. Das Universum ist wesentlich vielfältiger als gedacht. So gibt es riesige Gasplaneten, die viel näher um ihren Zentralstern kreisen, als man es für möglich gehalten hatte. Und Super-Erden – das sind Körper, die fünf- bis zehnmal massereicher sind als die Erde. In unserem Sonnensystem kommen sie nicht vor. „Wir wollen mit Cheops von einigen bereits bekannten Exoplaneten die Größen exakt messen“, sagt Heike Rauer, Leiterin des Instituts für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Adlershof. „Daraus berechnen wir die Dichten, was uns viel über die Beschaffenheit dieser unbekannten Welten verrät.“

Warten auf Transits

Bislang wissen die Astronomen noch sehr wenig über die Exoplaneten. Alle Illustrationen davon sind reine Fantasie. Das liegt daran, dass diese Körper selbst in größten Teleskopen nicht sichtbar sind, sondern sich auf indirekte Weise bemerkbar machen. Eine sehr erfolgreiche Methode zum Aufspüren der dunklen Trabanten bieten sogenannte Transits. Einige Planetensysteme sind zufällig gerade so im Raum orientiert, dass der oder die Planeten während ihres Umlaufs von uns aus gesehen vor ihrem Gestirn vorbeiziehen.

Dann wird der Stern für die Dauer dieses Transits etwas dunkler. Kehrt die Abschwächung periodisch wieder, hat man direkt die Umlaufdauer des Planeten. Und wenn man die Masse des Sterns kennt, lässt sich daraus der Abstand des Planeten zu ihm ausrechnen. Das funktioniert nach einem von Johannes Kepler gefundenen Gesetz, weswegen die Nasa ihren berühmten Planetenfinder nach dem bekannten Astronomen benannte. Kepler spürte mit dieser Methode 2662 Planeten auf.

Mit Kepler und anderen Teleskopen gelang es endlich auch, Planeten zu entdecken, die in der bewohnbaren Zone um ihren Stern kreisen. Auf ihnen könnte es dauerhaft flüssiges Wasser geben – vermutlich eine Voraussetzung für die Entstehung von Leben. Doch um das herauszufinden, müssen die Forscher mehr über die Körper erfahren. Das ist die Aufgabe von Cheops.

Bald nach dem Start wird Cheops die Rakete verlassen und in rund 700 Kilometern Höhe die Erde umkreisen.
Grafik: ESA

Das Projekt wird von verschiedenen Partnerländern finanziert

Wissenschaftlicher Leiter des Projekts ist Willy Benz, Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Bern, der es zusammen mit Didier Queloz initiiert hat. Mit dem Bau des Raumfahrzeugs hatte die Europäische Weltraumorganisation Esa Airbus Defence & Space in Spanien beauftragt. Während die Esa 50 Millionen Euro zahlte, trugen die Schweiz rund 30 Millionen und die Partnerländer weitere gut 20 Millionen Euro bei.

Cheops wird Sterne anpeilen, bei denen man bereits Planeten entdeckt hat. Dann wird es mit außerordentlicher Genauigkeit den Helligkeitsabfall der Sterne messen, woraus sich die Größe des Planeten errechnen lässt. Die Verdunklung ergibt sich aus dem Verhältnis der Flächen, unter denen Stern und Planet erscheinen. Aus der Ferne betrachtet würde die Erde beim Transit vor der Sonne deren Helligkeit um weniger als ein Zehntausendstel abschwächen. Das ist die Zielmarke von Cheops.

Spezialtechnik aus Berlin-Adlershof

„Der Lichtsensor ist in der Lage, Helligkeitsunterschiede von einem Fünfzigtausendstel aufzuzeichnen“, sagt Heike Rauer. Zusammen mit dem DLR-Schwesterinstitut für Optische Sensorsysteme haben die Forscher einen empfindlichen CCD-Detektor und dessen Steuerelektronik angefertigt. Eine technische Herausforderung bestand darin, die Elektronik möglichst rauschfrei zu machen. Jedes noch so kleine Rauschen verschlechtert die Messung des sehr schwachen Sternsignals. „Diese Technik ist eine Spezialität unseres Instituts in Adlershof“, sagt Rauer.

Das 120 Zentimeter lange Teleskop wiegt knapp 60 Kilogramm, der ganze Satellit von der Größe eines kleinen Kühlschranks kommt gerade einmal auf 300 Kilogramm. Ein Leichtgewicht, das deshalb für die Reise ins All keine eigene Rakete benötigt. Es wird als „Trittbrettfahrer“ zusammen mit einem weiteren Satelliten in die Erdumlaufbahn gelangen. Nach dem Start wird es etwa 140 Minuten dauern, bis Cheops die Rakete verlässt und in rund 700 Kilometern Höhe die Erde umkreist.

Suche nach Zusammensetzung und innerer Struktur

Die Cheops-Mission konzentriert sich auf Planeten, die im Größenbereich zwischen Erde und Neptun liegen, die also zwischen 10 000 und 50 000 Kilometern groß sind. „Von ihnen wollen wir die Durchmesser bis auf zehn Prozent genau bestimmen“, erläutert Willy Benz. Wenn man den Durchmesser eines Planeten kennt und aus anderen astronomischen Beobachtungen die Masse ermittelt, lässt sich daraus die mittlere Dichte bestimmen. Diese liefert wichtige Hinweise auf die Zusammensetzung und innere Struktur des Körpers.

So kann er wie Erde oder Mars überwiegend aus Gestein bestehen und im Inneren einen Kern aus Metall besitzen. Bei sehr geringer Dichte besteht er hauptsächlich aus Gasen – wie Jupiter. In einem Zwischenbereich könnte es auch Welten geben, die überwiegend aus Wasser oder Eis bestehen. Cheops wird also Eingangsdaten für Modelle liefern, mit denen Forscher die Beschaffenheit der Exoplaneten ermitteln wollen.


Mehr als 4000 Exoplaneten 

  • Die Zahl: Bisher wurden 4104 Exoplaneten – also Planeten, die um einen anderen Stern als die Sonne kreisen – entdeckt.
  • Die Größe: 1375 der entdeckten Exoplaneten ähneln Neptun, 1290 sind Gasriesen wie Jupiter oder noch größer.
  • Erdähnlich: 161 der Exoplaneten sind so groß wie die Erde und bestehen aus Gestein, eventuell auch Wasser. 1272 sind Super-Erden.

Mit einem Trick soll es sogar möglich sein, etwas über die Oberfläche eines Planeten zu erfahren. Nach dem Transit wandert der Planet auf seiner Bahn um den Stern herum und verschwindet irgendwann hinter ihm. In der Zeit vorher misst Cheops das Licht des Sterns plus jenes Sternenlicht, das von der Planetenoberfläche reflektiert wird. Dieser planetare Anteil lässt sich separieren, und zusammen mit der Größe des Planeten ergibt sich daraus die Reflektivität der Planetenoberfläche. „Das ist eine wichtige Größe, um etwas über den Planeten zu erfahren“, erläutert Rauer. Ein Vergleich mit hiesigen Verhältnissen verdeutlicht das. Die Erde reflektiert 30 bis 40 Prozent des Sonnenlichts wieder ins All, die Venus hingegen rund 90 Prozent. Ursache ist eine vollständig geschlossene, stark reflektierende Wolkendecke.

Weitere Missionen geplant

Cheops ist der Beginn eines beeindruckenden Exoplaneten-Programms der Esa. Für 2026 ist der Start des Weltraumteleskops Plato geplant. Das mit 26 Einzelteleskopen ausgestattete Instrument soll erdgroße Planeten in der bewohnbaren Zone von sonnenähnlichen Sternen untersuchen. Das wissenschaftliche Instrument entsteht derzeit unter der Leitung von Heike Rauer. Zwei Jahre später wird die Esa mit dem Weltraumteleskop Ariel ganz gezielt Atmosphären der Exoplaneten unter die Lupe nehmen und darin nach Signaturen suchen, die auf mögliches Leben hindeuten.