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Sternstunde

Sternbeben hilft bei der Analyse neuer Exoplaneten

Meike Lorenzen
Meike Lorenzen Ehem. Redakteurin Technologie WirtschaftsWoche Online

Erstmals haben deutsche Wissenschaftler Daten vom Beben auf einem fernen Stern ausgenutzt, und so die Masse eines Himmelskörpers bestimmen können. Über einen Meilenstein in der Forschung.

Der Blick des CoRoT-Weltraumteleskops auf den Exoplaneten, der den auf Stern HD52265 umkreist. Grafik: Mark A.Garlick Quelle: Presse

Erstmals haben Forscher mit Hilfe sogenannter asteroseismologischer Daten eines Weltraumteleskops die innere Rotation eines sonnenähnlichen Sterns bestimmen können - und dabei auch noch einen Exoplaneten charakterisiert.

Die Suche nach Exoplaneten ist gerade ein ganz heißes Thema in der Weltraumforschung. Schon seit einer Weile sind die Astronomen von dem Ehrgeiz gepackt, mehr über die exosolaren Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu erfahren. Denn während in unserem Sonnensystem bisher kein Planet gefunden werden konnte, der wie die Erde Leben ermöglicht, hofft man auf eine zweite Erde in einem anderen System. Dabei wird vor allem von der Erde aus gearbeitet, denn die neuen Teleskope schauen weiter als je zuvor ins All – und vor allem genauer hin. Gesichtet werden in der Regel erst die Sterne, ehe dann analysiert wird, ob in einem adäquaten Abstand zum Feuerball auch ein Planet zu entdecken ist.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter Leitung des Max-Planck-Institutes für Sonnensystemforschung (MPS) und der Universität Göttingen hat in diesem Fall den Stern HD52265 genau untersucht. Er befindet sich mehr als 90 Lichtjahre entfernt im Sternbild Einhorn, östlich des Orion. Einen Himmelskörper, der den Stern umkreist, hatte die Forschung schon vor zehn Jahren erfasst – bisher jedoch als Braunen Zwerg charakterisiert. Braune Zwerge nehmen aufgrund ihrer Masse eine Sonderstellung zwischen Planeten und Sternen ein. Nun ist klar, dass der Zwerg tatsächlich ein sehr massearmer Planet ist.  

50 Jahre Weltraumforschung
La Silla ObservatoriumDie Sterne rotieren während einer Nacht um den südlichen Himmelspol am La Silla-Observatorium der ESO im Norden Chiles. Die diffusen Bereiche auf der rechten Seite des Bildes sind die Magellanschen Wolken, zwei kleinen Begleitgalaxien unserer Milchstraße. Die im Vordergrund sichtbare Kuppel beherbergt das 3,6-Meter-Teleskop mit dem HARPS-Instrument, dass dem zur Zeit erfolgreichsten Exoplanetenjäger der Welt. Das kastenförmige Gebäude unten rechts beherbergt das 0,25-Meter-TAROT-Teleskop, das so konstruiert ist, dass es besonders schnell auf Gammastrahlenausbrüche reagieren kann. Weitere Teleskope auf La Silla sind das 2,2-Meter-MPG/ESO Teleskop und das 3,6-Meter-New Technology Telescope, das erste Teleskop an dem aktive Optik zum Einsatz kam und somit Vorläufer aller modernen Großteleskope. La Silla war das erste Observatorium der ESO und ist nach wie vor eines der führenden Observatorien auf der Südhalbkugel. Quelle: Pressebild
ALMADer ESO-Fotobotschafter Babak Tafreshi hat dieses bemerkenswerte Bild der Antennen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Arrays (ALMA) vor der Kulisse der prächtigen Milchstraße aufgenommen. ALMA ist eine internationale Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb des Observatoriums ist die ESO zuständig für den europäischen Beitrag, das National Astronomical Observatory of Japan für Ostasien und das National Radio Astronomy Observatory für den nordamerikanischen Beitrag. Das Joint ALMA Observatory übernimmt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA. Die Detailfülle in diesem Foto bestätigt die unübertroffenen Beobachtungsbedingungen für die Astronomie auf dem 5000 Meter hohen Chajnantor-Plateau in Chiles Atacama-Region. Die Aufnahme zeigt die Sternbilder Carina (der Schiffskiel) und Vela (das Segel). Die dunklen, schmalen Staubwolken der Milchstraße erstrecken sich von der Mitte links oben zur Mitte rechts unten. Der helle, orangefarbene Stern links oben ist Suhail im Sternbild Vela, der ähnlich orange gefärbte Stern in der oberen Bildmitte ist Avior im Sternbild Carina. Nahe dieser Sterne formen drei blaue Sterne ein „L“: die zwei linken davon gehören zum Segel, der rechte zum Schiffskiel. Genau in der Bildmitte zwischen diesen Sternen leuchtet der rosafarbene Carinanebel (eso1208). Quelle: Pressebild
Die MilchstraßeDie zentralen Bereiche unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, beobachtet im nahen Infrarot mit dem NACO-Instrument am Very Large Telescope der ESO. Da sie seit mehr als 16 Jahren die Bewegungen der Sterne in unmittelbarer Umgebung verfolgen, konnten Astronomen die Masse des Schwarzen Lochs bestimmen, das sich dort verbirgt. Quelle: Pressebild
 Das Handout der Zeitschrift «NATURE» zeigt eine Illustration eines schwarzen Loches in einem Kugelsternhaufen. Quelle: dpa
PferdekopfnebelDieses Gebilde nennen die Astronomen den Pferdekopfnebel. Die Farbkomposition des Nebels und seiner unmittelbaren Umgebung basiert auf drei Einzelbelichtungen im sichtbaren Licht, die am 1. Februar 2000 mit dem FORS2-Instrument am 8,2-Meter Kueyen-Teleskop auf dem Paranal aufgenommen und dem wissenschaftlichen Archiv des VLTs entnommen wurden. Quelle: Pressebild
WeihnachtsbaumhaufenDiese Farbaufnahme zeigt eine Himmelsregion namens NGC 2264, die die leuchtend blauen Sterne des Weihnachtsbaumhaufens und den Konusnebel enthält. Aufgenommen wurde das Bild durch vier verschiedene Filter (B, V, R und H-alpha) mit dem Wide Field Imager am La Silla Observatorium der ESO in 2400 Metern Höhe. Der abgebildete Nebel hat einen Durchmesser von etwa 30 Lichtjahren. Quelle: Pressebild
OrionnebelAuch diese Großfeldansicht des Orionnebels (Messier 42) entstand in Chile. Das VISTA-Infrarotdurchmusterungsteleskop am Paranal-Observatorium der ESO zeichnete den Nebel auf, der sich in einer Entfernung von 1350 Lichtjahren von der Erde befindet. Mit dem riesigen Gesichtsfeld des neuen Teleskops lässt sich der gesamte Nebel zusammen mit seiner Umgebung in einer einzigen Aufnahme abbilden. Beobachtungen im Infraroten ermöglichen es, auch in die Bereiche des Nebels vorzudringen, die sonst von Staubwolken verdeckt sind, und machen die aktiven, jungen Sterne sichtbar, die sich darin verbergen. Quelle: Pressebild

Zu dem Ergebnis konnten die Forscher kommen, weil sie sich erstmals Methoden der Asteroseismologie bedient haben, um die Masse eines Körpers einzugrenzen. Seismologen beschäftigen sich mit der Erforschung von Erdbeben. Asteroseismologen erforschen Sternbeben, also die inneren Schwingungen von Sternen. Die Forschergruppe unter Leitung von Laurent Gizon, Direktor am MPS und Professor an der Universität Göttingen, verwendete für ihre Studie Daten des Weltraumteleskops CoRoT. Zwischen November 2008 und März 2009 richtete das Teleskop 117 Tage lang seinen Blick ohne Pause auf Stern HD52265. Solch lange und ununterbrochenen Beobachtungszeiten sind entscheidend, um die Schwingungsfrequenzen eines Sterns mit der notwendigen Genauigkeit bestimmen zu können.

Wie Stern-Schwingungen entstehen

In Sternen, die der Sonne ähneln, steigt heißes Plasma im Innern auf, kühlt ab und sinkt wieder herab. Dieser Vorgang erzeugt Druck- beziehungsweise Schallwellen, die im Inneren des Sterns eingeschlossen sind. Sie sorgen dafür, dass der Stern wie eine Glocke vibriert. Die Asteroseismologie nutzt die Schwingungen an der Oberfläche, um unter anderem die Rotation im Inneren von Sternen zu bestimmen.

"Die Drehung des Sterns hinterlässt winzige Spuren in den Frequenzen, mit denen er schwingt", erklärt Gizon. Druckwellen, die sich in Richtung der Rotationsbewegung ausbreiten, sind schneller als solche, die sich in entgegengesetzte Richtung bewegen. Dies führt zu Unterschieden in den Schwingungsfrequenzen, die im hypothetischen Fall eines nicht-rotierenden Sterns nicht vorhanden wären. Die Sichtbarkeit der einzelnen Schwingungen hängt zudem vom Winkel ab, unter dem der Stern betrachtet wird.

Schwerer als Jupiter

Der Blick des CoRoT-Weltraumteleskops auf Stern HD52265. Grafik: Mark A.Garlick

 Die analysierten Daten wurden mit anderen Forschungsansätzen kontrastiert. "Die asteroseismologischen Ergebnisse stimmen hervorragend mit denen anderer, unabhängiger Messungen überein", sagt Gizon. Eine dieser unabhängigen Methoden misst die Geschwindigkeit, mit der sich dunkle Sternflecken auf der Oberfläche eines Sterns bewegen. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass im Fall des Sterns HD52265 die Rotationsgeschwindigkeit an der Oberfläche und die im Innern sehr ähnlich sind. Dies trifft auch auf die Sonne und andere sonnenähnliche Sterne zu.

Seit mehr als zehn Jahren ist zudem bekannt, dass ein zweiter Körper, genannt HD52265b, den Stern umkreist. "Da seine Masse jedoch nicht bekannt war, war unklar, ob er zu einer Klasse massearmer Sterne, so genannter Brauner Zwerge, zu rechnen ist oder ob es sich um einen Exoplaneten handelt", erklärt Thorsten Stahn von der Universität Göttingen.

Auf dem Mars wiegen wir nur die Hälfte
Viele Menschen werden sich freuen: Auf dem Mars reduziert sich das Gewicht - wiegt also jemand 75 Kilo auf der Erde, so ist er auf dem Mars mit 28 Kilo ein Fliegengewicht. Quelle: Reuters
Aufgrund seiner Beschaffenheit würde der Saturn auf dem Wasser schwimmen. Er ist ein Gasplanet und besteht zu 96 Prozent aus Wasserstoff, deshalb weist er auch die geringste mittlere Dichte auf. Der Saturn war schon vor der Erfindung des Fernrohrs bekannt, weil er als äußerster Planet mit dem Auge problemlos zu erkennen ist. Quelle:
Die Mondlandung war ein kleiner Schritt für einen Menschen, aber ein großer für die Menschheit: Insgesamt waren Astronauten bislang 300 Stunden auf dem Mond. Quelle: dpa
Der höchste Berg auf der Erde ist zweifelsohne der Mount Everest mit 8848 Metern. Er wird allerdings vom Olympus Mons auf dem Mars überragt, der 26 Kilometer zählt. Quelle: dapd
Angeblich soll es mehr Sterne geben als Sandkörner auf der Erde: Ein australischer Astronom geht davon aus, dass es etwa 70 Tausend Millionen Millionen Millionen Sterne gibt - und da sind nur die "gezählt", die mit modernen Teleskopen erkennbar sind. Quelle: dpa/dpaweb
Bis auf Merkur und Mars haben alle Planeten in unserem Sonnensystem Monde: Mit 67 Monden hat der Jupiter die meisten. Es folgt der Saturn mit 62 Monden. Quelle: REUTERS
Die Entfernung zwischen Mond und Erde beträgt 384.400 km: Das wird allerdings jedes Jahr ein bisschen mehr. Durchschnittlich in 27 Tagen und sieben Stunden umkreist der Mond die Erde. Quelle: dpa

Eine untere Grenze für die Masse von Stern HD52265b hatten Forscher bereits zuvor mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode bestimmt. Sie nutzten dafür aus, dass der Stern und sein Begleiter streng genommen um den gemeinsamen Massenschwerpunkt kreisen. Von der Erde aus betrachtet sieht es deshalb so aus, als wackele der Stern leicht hin und her. Die genaue Masse lässt sich jedoch nur bestimmen, wenn auch die Neigung der Bahnachse des Planeten bekannt ist.

Und hier kommt wieder die Asteroseismologie ins Spiel. Mit ihr lässt sich die Neigung der Drehachse des Sterns berechnen. Da in der Regel angenommen wird, dass beide Achsen dieselbe Neigung aufweisen, konnten die Forscher die untere Grenze für die Masse in die tatsächliche Masse umrechnen. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass HD52265b 1,85-mal so schwer wie der Jupiter ist", so Stahn. "Der Körper kann deshalb kein Brauner Zwerg sein."

In Arbeit
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"Dies wirft die Frage auf: Wie konnte ein solch riesiger Planet in so geringer Entfernung zu einem Stern entstehen?", sagt Hannah Schunker vom MPS. "Die Neigung der Drehachse birgt zusätzliche Informationen über dieses System aus Stern und Planet. Diese könnten uns helfen zu entscheiden, welches Szenario für Entstehung und Evolution des Systems am wahrscheinlichsten ist." An dieser Stelle sind jedoch weitere Analysen der Teleskop-Daten nötig.

Zudem belegen die neuen Ergebnisse das Potential der Asteroseismologie, die Geheimnisse des Innern von Sternen zu lüften und Exoplaneten zu charakterisieren, die sie umkreisen. Nach diesem Paper dürfte die Methode häufiger für die Bestimmung der Masse eines Himmelskörpers angewendet werden.

Mit Material des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung.

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