Chemischer Fingerabdruck eines Exoplaneten ermittelt

Die Forschergruppe, zu der drei Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) und zwei Wissenschaftler kanadischer Universitäten gehören, hat das Planetensystem des hellen, sehr jungen Sterns HR 8799 untersucht, der am Nachthimmel im Sternbild Pegasus steht und rund 130 Lichtjahre von uns entfernt ist. Eine frühere Untersuchung hatte im Jahre 2008 drei Riesenplaneten nachweisen können, die diesen Stern umkreisen. Carolina Bergfors (MPIA), die im Rahmen ihrer Doktorarbeit an den Beobachtungen beteiligt war, erzählt: "Unser Beobachtungsziel war der mittlere der drei Riesenplaneten. Er besitzt ungefähr zehn Mal soviel Masse wie Jupiter, und hat eine Oberflächentemperatur von rund 800 Grad Celsius". Die Forscher nahmen das Spektrum mit Hilfe des Instruments NACO auf, das am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte installiert ist, und nutzten dabei insbesondere die Kamera-Spektrografen-Kombination CONICA, die am Max-Planck-Institut für Astronomie und am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik entwickelt wurde.

Da der Stern mehrere tausend Mal heller ist als der Planet, und die beiden von der Erde aus gesehen sehr nah beieinander stehen, stellt die Messung des Planetenspektrums eine enorme Herausforderung dar. Markus Janson von der Universität Toronto, der Erstautor des Fachartikels, in dem die neuen Ergebnisse vorgestellt werden, erklärt: "Es ist, als wolle man aus zwei Kilometern Entfernung eine Kerze beobachten, die direkt neben einer hellen 300-Watt-Lampe steht." Carolina Bergfors ergänzt: "Wir mussten mehr als fünf Stunden belichten, um das Planetenspektrum aus dem weit helleren Licht des Sterns herauskitzeln zu können."

In den kommenden Jahren hoffen die Astronomen, mit dieser Beobachtungstechnik wichtige Informationen darüber zu gewinnen, wie Planeten entstehen. Erster Schritt dürfte die Aufnahme der Spektren der beiden anderen Riesenplaneten von HR 8799 sein; damit hätten die Astronomen zum ersten Mal die Gelegenheit, die Spektren mehrerer Planeten ein und desselben Exoplanetensystems miteinander zu vergleichen. Entfernteres Ziel ist es, auf dieses Weise lebensfreundliche Exoplaneten zu identifizieren oder sogar Spuren von einfachen außerirdischen Lebensformen nachzuweisen.

Aktuell geben die neuen Ergebnisse Anlass, die derzeitigen Modelle der Atmosphäre des Exoplaneten zu überdenken. Wolfgang Brandner (MPIA), Koautor des Fachartikels, erklärt: "Die Eigenschaften des Spektrums sind nicht mit den heutigen theoretischen Modellen vereinbar. Offenbar gilt es, die Eigenschaften der Staubwolken in der Planetenatmosphäre genauer zu modellieren - oder die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist ganz anders, als bislang angenommen."

Jeder Regenbogen führt uns vor Augen, dass sich weißes Licht in verschiedene Grundfarben zerlegen lässt. Astronomen führen diese Zerlegung des Lichts in verschiedene Farben (oder »Wellenlängenanteile«) mit ihren Instrumenten künstlich herbei – allerdings unterscheiden sie dort, wo wir lediglich fünf oder sechs Regenbogenfarben unterscheiden, hunderter feiner Farbnuancen, die zusammen das Spektrum eines Objekts bilden: eine Übersicht, welche Mengen an Licht der Himmelskörper in jedem der enggefassten Farbbereiche abstrahlt. Außerdem nutzen Astronomen nicht nur das sichtbare Licht, das wir beim Regenbogen sehen, sondern weit größere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Das bei den hier beschriebenen Beobachtungen aufgenommene Spektrum liegt im Bereich des Infrarotlichts. Die Eigenschaften der Spektren – besonders viel Licht in einigen, besonders wenig in anderen Farbbereichen – geben Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der beobachteten Materie. Infrarotspektren sind hier besonders nützlich, um zu sehen, welche Moleküle beispielsweise in einer Planetenatmosphäre vertreten sind. Insgesamt ist die Spektroskopie, das Aufzeichnen von Spektren, ein Schlüsselwerkzeug der Astronomie: Spektren zeigen uns, woraus ferne Himmelskörper bestehen.

Dies ist das erste direkt gemessene Spektrum eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Die meisten vorherigen Messungen waren indirekt – mit Weltraumteleskope wurde beobachtet, wie ein Exoplanet von der Erde aus hinter seinem Heimatstern verschwindet; dabei wurde das Spektrum des Gesamtsystems vor und nach Verschwinden des Planeten aufgenommen, und durch Vergleich der auf den Planeten zurückgehende Spektrumsanteil ermittelt. Eine vorherige direkte Messung war an einem System gelungen, in dem das Zentralobjekt ein Brauner Zwerg (ein Objekt, das nicht genügend Masse besitzt, um ein Stern zu werden, aber zuviel Masse, um als Planet zu gelten) oder ein junger, lichtschwacher Stern ist. Andere Direktmessungen lieferten kein richtiges Spektrum, sondern nur einen kleinen Ausschnitt daraus (eine Spektrallinie), die einem einen Stern umkreisenden Exoplaneten zugeordnet wurde.

Spektroskopische Messungen wie die hier vorgenommene – allerdings mit noch deutlich größerer Detailschärfe! – sollen in Zukunft die chemische Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten analysieren und so zeigen, ob auf diesen Planeten lebensfreundliche Bedingungen herrschen. Auch nach indirekten Anzeichen für die Existenz von Leben auf diesen Planeten wird gesucht werden: Die Häufigkeiten der verschiedenen Molekülsorten in der Atmosphäre wird durch chemische Gesetzmäßigkeiten geregelt. Abweichungen von den Standardhäufigkeiten können ein Zeichen für die Anwesenheit von Lebensformen sein – die heutige Häufigkeit von Sauerstoff in der Erdatmosphäre beispielsweise ist wesentlich auf die Aktivität von Algen vor mehr als 2 Milliarden Jahren zurückzuführen. Es ist noch ein weiter Weg bis zum Nachweis von Leben auf fremden Planeten, und auf diesem Weg müssen zum einen Nachweismethoden für kleinere, erdähnliche Planeten, zum anderen noch genauere spektroskopische Methoden entwickelt werden. Das Verfahren, das mit den hier geschilderten Beobachtungen praktisch demonstriert wurde, ist ein wichtiger Schritt in Richtung unseres Ziels.

Die Astronomen konnten die Spektren von Stern und Planet räumlich voneinander trennen, und das Spektrum des Planeten im Wellenlängen Bereich zwischen 3,88 und 4,08 Mikrometer aufnehmen. Das Spektrum ist sehr verrauscht; durch Glätten der Kurve kann der Beitrag des Rauschens unterdrückt werden, und Vergleiche mit den von theoretischen Modellen vorhergesagten Spektren werden möglich. Aufgrund des Rauschens lassen sich keine einzelnen Spektrallinien identifizieren. Allerdings zeigt bereits der Vergleich der geglätteten Spektra deutliche Abweichungen zwischen der beobachteten Spektrumsform und der Vorhersage der Atmosphärenmodelle, die davon ausgehen, dass sich die verschiedenen Elemente in der Atmosphäre im chemischen Gleichgewicht befinden und dass die Temperatur der Atmosphäre von den Äußeren hin zu den inneren Schichten kontinuierlich zunimmt. Bei längeren Wellenlängen (oberhalb von 4 Mikrometern) strahlt der Planet schwächer, als erwartet; dies deutet auf Absorption durch Moleküle in der Planetenatmosphäre hin. Die einfachste Erklärung ist, dass die Atmosphäre weniger Methan, aber mehr Kohlenmonoxid enthält als angenommen.

Der Stern HR 8799 besitzt anderthalb Sonnenmassen. Die drei Riesenplaneten, die ihn umkreisen, und die 2008 von einem anderen Forscherteam entdeckt wurden, haben Massen zwischen 7 und 10 mal der Jupitermasse. Ihre Abstände vom Zentralstern liegen zwischen dem 20- und dem 70-fachen des Abstands der Erde von der Sonne. Das System enthält auch zwei Gürtel aus kleineren Objekten, ähnlich dem Asteroiden- und dem Kuipergürtel unseres eigenen Sonnensystems.

Die Spektren wurden mit dem Infrarotinstrument NACO am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile aufgenommen. Die Messungen waren dabei nur durch die so genannte adaptive Optik dieses Instruments möglich, welche die Störeinflüsse aufgrund der Turbulenzen der Erdatmosphäre, die das Licht ferner Himmelsobjekte auf seinem Weg zum Teleskop durchqueren muss, weitgehend ausschaltet. Daten für Voruntersuchungen wurden mit dem Instrument IRCS am Subaru-Teleskop aufgenommen.

HR 8799 zeigt an, dass der Stern im Yale-Katalog der hellsten Sterne (Yale Bright Star Catalogue) die Nummer 8799 trägt. Die Abkürzung »HR« ist vom Vorgängerkatalog übernommen, dem Harvard Revised Photometry Catalogue (»Revidierter Harvard-Sternhelligkeits-Katalog«).

Erste direkte Aufnahme eines Exoplaneten-Spektrums

Bei Beobachtungen an einem Dreifach-Planetensystem, das einer vergrößerten Version unseres eigenen Sonnensystems ähnelt, haben Astronomen erstmals direkt ein Spektrum – einen “chemischen Fingerabdruck [1]” – eines Planeten aufgenommen, der einen fremden Stern umkreist [2]. Das Ergebnis liefert neue Informationen über die Zusammensetzung und Entstehung des Planeten, und stellt einen Meilenstein der Suche nach Leben auf anderen Planeten dar.

”Das Spektrum eines Planeten ist wie ein Fingerabdruck: Es liefert wichtige Informationen über die chemischen Elemente in der Planetenatmosphäre” erzählt Markus Janson, Erstautor des Fachartikels, in dem die neuen Ergebnisse vorgestellt werden. “Solche Informationen erlauben Rückschlüsse darauf, wie sich der Planet gebildet hat. In Zukunft könnte sich so auch Spuren von Leben auf fremden Planeten finden lassen.”

Die Forscher nahmen das Spektrum eines riesigen Exoplaneten auf, der den hellen, sehr jungen Stern HR 8799 umkreist. HR 8799 steht am Nachthimmel im Sternbild Pegasus, und ist rund 130 Lichtjahre von uns entfernt. Der Stern besitzt anderthalb Mal soviel Masse wie unsere Sonne, und ist Zentralstern eines Planetensystems, das einer vergrößerten Version unseres eigenen Sonnensystems ähnelt: Im Jahre 2008 wurden dort drei Riesenplaneten nachgewiesen, mit Massen zwischen dem sieben- und dem zehnfachen der Jupitermasse. Die Planeten sind 20 bis 30 Mal soweit von ihrem Zentralstern entfernt wie die Erde von der Sonne; außerdem weist das System zwei Gürtel kleinerer Objekte auf, ähnlich dem Asteroiden- und dem Kuipergürtel unseres Sonnensystems.

“Unser Beobachtungsziel war der mittlere der drei Planeten, der rund zehn Mal soviel Masse besitzt wie Jupiter besitzt und eine Oberflächentemperatur von rund 800 Grad Celsius aufweist”, so Carolina Bergfors, die an den Beobachtungen beteiligt war. “Nach mehr als fünf Stunden Belichtungszeit ist es uns gelungen, das Planetenspektrum aus dem viel helleren Licht des Zentralsterns herauszulösen.”

Damit ist es zum ersten Mal gelungen, das Spektrum eines Exoplaneten, der einen normalen, fast sonnenähnlichen Stern umkreist, direkt aufzunehmen. Bis dahin war die Bestimmung von Spektren nur indirekt möglich gewesen: Bei Beobachtungen von “exoplanetaren Eklipsen”, also Situationen, in denen ein Exoplanet von der Erde aus gesehen hinter seinen Heimatstern tritt, liessen sich Spektren indirekt durch Vergleich des aufgefangenen Lichts vor und nach Verschwinden des Planeten erschließen. Solche indirekten Bestimmungen sind nur mit Weltraumteleskopen möglich, und können nur dann gelingen, wenn die Umlaufbahn des Planeten relativ zur Blickrichtung der irdischen Beobachter exakt richtig ausgerichtet ist – und das ist nur für sehr wenige Exoplanetensysteme der Fall. In diesem Fall dagegen wurde vom Erdboden aus mit Hilfe des Very Large Telescope (VLT) der ESO beobachtet, und das Spektrum wurde direkt bestimmt und ist damit von der Orientierung der Umlaufbahn des Planeten unabhängig.

Da der Zentralstern einige tausend Mal heller ist als der Planet, stellt diese direkte Bestimmung eine beachtliche Leistung dar. “Es ist, als wolle man aus zwei Kilometern Entfernung eine Kerze beobachten, die direkt neben einer hellen 300-Watt-Lampe steht” erklärt Janson.

Die Entdeckung wurde durch das Infrarotinstrument NACO möglich, das am VLT angebracht ist. Insbesondere nutzten die Forscher die Komponente CONICA, eine Kombination aus Kamera und Spektroskop, die vom Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg) und dem Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (Garching) entwickelt wurde. Eine entscheidende Rolle spielte dabei die hocheffektive adaptive Optik von NACO [3]. Noch detailreichere Bilder und Spektren von Exoplaneten erwarten die Forscher von SPHERE, einem Instrument der nächsten Generation, das 2011 am VLT installiert werden soll, und vom European Extremely Large Telescope (E-ELT), einem in Entwicklung befindlichen Riesenteleskop der Extraklasse.

Die neuen Ergebnisse geben Anlass, die derzeitigen Modelle der Atmosphäre des Exoplaneten zu überdenken. Wolfgang Brandner, Koautor des Fachartikels, erklärt: “Die Eigenschaften des Spektrums sind nicht mit den heutigen theoretischen Modellen vereinbar. Offenbar müssen wir die Eigenschaften der Staubwolken in der Planetenatmosphäre noch genauer modellieren – oder die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist ganz anders, als bislang angenommen.”

Die Astronomen hoffen, schon bald die chemischen Fingerabdrücke der beiden anderen Riesenplaneten zu bestimmen, und dann zum ersten Mal Zugang zu den Spektren dreier Exoplaneten aus ein und demselben Planetensystem zu haben. “Das wird mit Sicherheit neues Licht darauf werfen, wie Planetensysteme entstehen”, schließt Janson.

[1]	Ein Regenbogen führt uns vor Augen, dass sich weißes Licht in verschiedene Grundfarben zerlegen lässt. Astronomen führen diese Zerlegung des Lichts in verschiedene Farben (oder “Wellenlängenanteile”) mit ihren Instrumenten künstlich herbei – allerdings unterscheiden sie dort, wo wir lediglich fünf oder sechs Regenbogenfarben wahrnehmen, hunderter feiner Farbnuancen, die zusammen das Spektrum eines Objekts bilden: eine Übersicht, welche Mengen an Licht der Himmelskörper in jedem der enggefassten Farbbereiche abstrahlt. Die Eigenschaften der Spektren – besonders viel Licht in einigen, besonders wenig in anderen Farbbereichen – geben Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der beobachteten Materie. Das macht die Spektroskopie, das Aufzeichnen von Spektren, zu einem Schlüsselwerkzeug der Astronomie.
[2]	Im Jahre 2004 wurde mit Hilfe von NACO am VLT das Spektrum eines Objekts mit 5 Jupitermassen aufgenommen, das einen Braunen Zwerg umkreist (ein Brauner Zwerg ist ein Himmelskörper, der nicht genügend Masse besitzt, um ein Stern zu werden, aber zuviel Masse, um als Planet zu zählen). Allerdings gehen die Forscher davon aus, dass dieses Objektpaar, ähnlich wie ein Doppelstern, zusammen entstanden ist, dass sich der Begleiter also nicht wie ein Planet aus einer das Zentralobjekt umgebenden Materiescheibe gebildet hat (sie die englischsprachigen Pressemitteilungen ESO 28/04, ESO 15/05 und ESO 19/06).
[3]	Beobachtungen, die mit bodengebundenen Teleskopen vorgenommen werden, werden durch turbulente Luftströmungen in der Atmosphäre empfindlich gestört. Diese Turbulenzen sind für das romantische Funkeln der Sterne verantwortlich – den Astronomen verderben sie in ganz unromantischer Weise die Arbeit, denn sie verwischen die feinen Details astronomischer Abbildungen. Mit Hilfe der Adaptiven Optik (AO) lassen sich diese Störungen weitgehend ausgleichen, so dass auch erdgebundene Teleskope so detailscharfe Bilder produzieren können wie sonst nur Weltraumteleskope, also Teleskope, die sich außerhalb der Erdatmosphäre befinden. Kernstück eines AO-Systems ist ein verformbarer Spiegel, mit dessen Hilfe die durch die atmosphärischen Turbulenzen verursachten Bildverzerrungen ausgeglichen werden. Gesteuert werden die Verformungen des Spiegels durch ein Computersystem, das laufend Daten eines so genannten Wellenfrontsensors auswertet. Dieser Sensor überwacht das Bild eines Referenzsterns: er misst, wie die atmosphärischen Störungen das Bild des Referenzsterns verzerren, und einige hundert Male pro Sekunde wird aus diesen Messdaten berechnet, wie der Spiegel verformt werden muss, um die beobachteten Verzerrungen auszugleichen. Hintergrundinformationen
-	Das Forscherteam besteht aus M. Janson (Universität Toronto, Kanada), C. Bergfors, M. Goto, W. Brandner (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg) und D. Lafrenière (Universität Montreal, Kanada). Vorbereitende Messungen wurden mit dem IRCS-Instrument am Subaru-Teleskop vorgenommen.
-	Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 14 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts, und VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO das European Extremely Large Telescope (E-ELT) für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, mit 42 Metern Spiegeldurchmesser ein Großteleskop der Extraklasse.
-	Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.