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Planet in Erdgröße um nahen roten Zwergstern Wolf 1069
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
3. Februar 2023
Astronominnen und Astronomen haben einen extrasolaren
Planeten von der Masse der
Erde entdeckt, der in der habitablen Zone des roten Zwergsterns Wolf 1069
kreist. Wolf 1069 ist lediglich 31 Lichtjahre entfernt, der Planet könnte auf
Teilen seiner Oberfläche lebensfreundliche Bedingungen aufweisen. Teleskope der
nächsten Generation könnte hier nach Spuren von Leben suchen.
Künstlerische Darstellung eines felsigen
Exoplaneten mit Erdmasse wie Wolf 1069 b, der einen roten
Zwergstern umkreist. Sofern der Planet seine Atmosphäre
beibehalten hat, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass er
flüssiges Wasser und lebensfreundliche Bedingungen über einen
großen Bereich seiner Tagseite aufweist.
Bild:
NASA / Ames Research Center / Daniel Rutter [Großansicht] |
Eines der aufregendsten Ziele der Exoplanetenforschung ist die Entdeckung einer
lebensfreundlichen Welt ähnlich der Erde. Von den mehr als 5000 Exoplaneten, die
die Astronomie bisher entdeckt hat, verfügen jedoch nur etwa 1,5 Prozent über eine Masse
von weniger als zwei Erdmassen. Nur etwa ein Dutzend von ihnen bevölkern die sogenannte zirkumstellare habitable
Zone, also den Bereich in einem Planetensystem, in dem Wasser in flüssiger Form
auf der Planetenoberfläche vorhanden sein kann. Beobachtungen, die solche
massearmen Planeten aufspüren können, sind immer noch eine große
Herausforderung.
Ein Weg, die
Chancen zu verbessern, besteht darin, massearme Sterne auf Anzeichen von
Planeten zu untersuchen. Genau das haben Diana Kossakowski und ihr Team im
Rahmen des CARMENES-Programms getan. Dieses Projekt, an dem das
Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg maßgeblich beteiligt
ist, nutzt das Calar-Alto-Observatorium in Spanien. "Als wir die Daten des
Sterns Wolf 1069 auswerteten, entdeckten wir ein deutliches Signal mit geringer
Amplitude, das auf einen Planeten von etwa Erdmasse hindeutet. Er umkreist den
Stern innerhalb von 15,6 Tagen in einer Entfernung, die einem Fünfzehntel des
Abstands zwischen Erde und Sonne entspricht“, berichtet Diana Kossakowski vom MPIA.
Trotz der geringen
Entfernung empfängt Wolf 1069 b nur etwa 65 Prozent der Strahlungsleistung, die die
Erde von der Sonne erhält. Im Vergleich zur Sonne sendet Wolf 1069 viel weniger
Strahlung aus, und seine Oberfläche ist kühler, was den Stern orange erscheinen
lässt. Diese Eigenschaften führen zu einer geringeren Heizleistung. "Dadurch
verschiebt sich die sogenannte habitable Zone nach innen", erläutert Kossakowski.
Deshalb können Planeten um rote Zwergsterne wie Wolf 1069 lebensfreundlich sein,
obwohl sie viel näher sind als die Erde an der Sonne. "Das CARMENES-Instrument
wurde genau zu dem Zweck gebaut, die Entdeckung möglichst vieler potenziell
lebensfreundlicher Welten zu erleichtern", ergänzt Jonas Kemmer von der
Universität Heidelberg.
Natürlich ist mehr nötig als flüssiges Wasser, um einen lebensfreundlichen
Planeten zu schaffen. Wie auf der Erde kann eine Atmosphäre, die einen
natürlichen Treibhauseffekt verursacht, dazu beitragen, die
Durchschnittstemperatur über die für Wolf 1069 b ermittelten -23 °C anzuheben. Dieser Wert gilt für einen einfachen kahlen
felsigen Planeten. Die Astronomen und Astronominnen haben berechnet, dass mit
einer erdähnlichen Atmosphäre die Durchschnittstemperatur auf bis zu +13 °C ansteigen könnte, so dass in einem großen Bereich auf der dem Stern
zugewandten Seite des Planeten Wasser flüssig bleibt. Auf der Grundlage von
Computersimulationen unter Verwendung komplexer Klimamodelle kommt das Team zu
dem Schluss, dass der Planet moderate Temperaturen und flüssiges Wasser an der
Oberfläche für eine breite Palette von atmosphärischen Bedingungen und
Oberflächentypen aufrechterhalten könnte.
Darüber hinaus würde eine solche Atmosphäre vor hochenergetischer
elektromagnetischer Strahlung und Teilchen schützen, die entweder aus dem
interstellaren Raum oder vom Zentralstern stammen. Vor allem rote Zwergsterne
sind für ihre Aktivität berüchtigt, die zu extremen Sternwinden und intensiver
UV-Strahlung führt. Ähnlich wie die Sonne den Mars beeinflusst hat, können sie
die Atmosphäre eines Planeten abtragen, wodurch seine Oberfläche steril wird.
Anders als z. B. Proxima Centauri mit seinen beiden bestätigten Planeten scheint
Wolf 1069 aber ungefährlich zu sein: Die Beobachtungen deuten nicht auf irgendeine
Art von schädlicher Sternaktivität hin.
Dennoch ist es wahrscheinlich zu früh,
um allzu optimistisch zu sein. Während seiner Jugend neigt ein roter Zwergstern
dazu, eine Phase hoher Aktivität zu durchlaufen, die verheerende Folgen für
jeden Planeten in seiner Nähe hat. Wenn Wolf 1069 b jedoch schon früh eine
Atmosphäre entwickelt und aufrechterhalten hat, sollte er sie bis heute behalten
haben. Es ist sogar möglich, dass der Planet ein Magnetfeld hat, das dem der
Erde ähnelt, aber schwächer ist und ihn vor geladenen Sternwindteilchen schützt.
Auch wenn diese Idee ein wenig spekulativ ist, ist die
Argumentation stichhaltig. "Unsere Computersimulationen zeigen, dass etwa fünf
Prozent
aller sich entwickelnden Planetensysteme um massearme Sterne, wie Wolf 1069, mit
einem einzigen nachweisbaren Planeten enden", erklärt MPIA-Wissenschaftler Remo Burn, der an der Studie beteiligt war.
"Die Simulationen zeigen auch, dass es
während des Aufbaus des Planetensystems zu heftigen Begegnungen mit den
Planetenembryos kommt, die gelegentlich zu katastrophalen Einschlägen führen",
fügt er hinzu.
Diese Ereignisse würden jede junge, sich entwickelnde Welt
aufschmelzen. Der Planetenkern müsste heute noch heiß und flüssig sein und einen
Dynamo bilden, der ein globales Magnetfeld erzeugt - ähnlich wie auf der Erde.
Wolf 1069 b scheint einer dieser seltenen einsamen Planeten zu sein. Aufgrund
ihrer Messungen schließen die Forschenden weitere Planeten mit mindestens einer
Erdmasse und Umlaufzeiten von weniger als zehn Tagen aus. Das ist weniger als
die 15,6 Tage, die sie für Wolf 1069 b ermittelten. Allerdings sind Planeten auf
größeren Umlaufbahnen durchaus denkbar.
Während Wolf
1069 b ein vielversprechender Kandidat ist, um die Bedingungen für seine
Bewohnbarkeit weiter zu untersuchen, gibt es eine besondere Eigenschaft, die er
mit praktisch allen Planeten in den habitablen Zonen roter Zwergsterne teilt:
Seine Rotation ist wahrscheinlich an seine Umlaufbahn um den Zentralstern
gebunden. Mit anderen Worten: Eine Drehung um seine Achse dauert so lange wie
ein kompletter Umlauf um den Stern. Da somit immer dieselbe Seite dem Stern
zugewandt ist, ist es dort ewig Tag, während es auf der gegenüberliegenden
Hemisphäre immer Nacht ist. Dies hat zur Folge, dass potenziell
lebensfreundliche Bedingungen nur in einem begrenzten Bereich auf der Tagseite
des Planeten auftreten.
Der technische
Fortschritt seit der ersten Entdeckung eines Exoplaneten vor fast 30 Jahren ist
atemberaubend. Dennoch sind die Signaturen, nach denen die Astronomie sucht, um
Planeten mit erdähnlichen Massen und Durchmessern aufzuspüren, winzig und noch
immer schwer aus den Messungen zu gewinnen. Das CARMENES-Programm verwendet die
Radialgeschwindigkeitsmethode, um nach Exoplaneten um massearme
Sterne zu suchen. Mit dieser Technik werden geringfügige periodische
Schwankungen in den Spektren der Sterne gemessen, die auf einen Begleiter
hindeuten, der durch seine Schwerkraft an dem Wirtsstern zieht. So folgt der
Stern einer Bahn, die die des Planeten widerspiegelt, wenn auch in einem viel
geringeren Abstand von ihrem gemeinsamen Massenzentrum. Dieser Effekt ist umso
ausgeprägter, je geringer das Massenverhältnis zwischen Stern und Planet ist,
wie bei der Beobachtung massearmer roter Zwergsterne.
Während eines Umlaufs
nähert sich der Stern uns auf der einen Seite und entfernt sich auf der anderen
Seite. Astronomen und Astronominnen schließen auf die daraus resultierende
winzige Geschwindigkeitsänderung, indem sie die periodische Verschiebung der
Spektrallinien des Sterns messen. Daraus berechnen sie die Masse des Planeten -
oder zumindest eine untere Grenze, denn die unbekannte Neigung der Bahnebene
verändert die gemessene Geschwindigkeit, die in der Regel etwas kleiner ist als
die tatsächliche Umlaufgeschwindigkeit des Planeten.
Wie im Fall von Wolf 1069 b
sind diese Signale so klein, dass sie komplexe und anspruchsvolle
Analyseverfahren erfordern, um sie von Störfaktoren in den Spektren zu
unterscheiden. Sie sind auf viele Einflüsse zurückzuführen. Bevor das Licht des
Sterns in das Teleskop eintritt, durchläuft es beispielsweise die Erdatmosphäre,
die ihr eigenes, starkes irdisches Spektrum mit dem des Sterns überlagert. Die
Trennung dieser Beiträge ist schwierig und kann die Ergebnisse beeinflussen,
wenn sie nicht korrekt durchgeführt wird.
Mit einer Entfernung von 31
Lichtjahren ist Wolf 1069 b der sechstnächste erdnahe Planet in der habitablen
Zone seines Wirtssterns. Aufgrund seiner günstigen Aussichten hinsichtlich der
Lebensfreundlichkeit gehört er zu einer kleinen illustren Gruppe von
Zielobjekten wie Proxima Centauri b und TRAPPIST-1 e, die für die Suche nach
Biosignaturen infrage kommen. Leider liegen solche Beobachtungen derzeit
jenseits der Möglichkeiten der astronomischen Forschung.
"Wir werden
wahrscheinlich noch zehn Jahre darauf warten müssen", sagt Kossakowski. "Es ist
jedoch von entscheidender Bedeutung, dass wir unsere Messeinrichtungen
weiterentwickeln, da die meisten der nächstgelegenen potenziell
lebensfreundlichen Welten mit der RV-Methode entdeckt werden." Das Extremely
Large Telescope, das derzeit in Chile gebaut wird, könnte in der Lage
sein, die Bedingungen dieser Planeten zu erforschen. Bis dahin freuen sich Kossakowski und ihr Team darauf, weitere spannende Kandidaten wie Wolf 1069 b zu
finden.
Über ihre Entdeckung von Wolf 1069 b berichtet das Team in einem Fachartikel,
der in der
Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erscheinen wird.
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