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Exoplanet Proxima Cen b Ein riesiges Meer als Rechenspiel

Er hat etwa die gleiche Masse wie die Erde und kreist in der lebensfähigen Zone um seinen Stern - theoretisch könnte es also Leben auf Proxima Centauri b geben. Sogar ein gigantisches Meer wäre möglich, haben Forscher errechnet. Theoretisch.

Von: Heike Westram

Stand: 07.10.2016

erdähnlicher Exoplanet Proxima Centauri Cen b bei seiner Sonne Proxima Centauri (Illustration) | Bild: Ricardo Ramirez und James Jenkins, Department of Astronomy, Universidad de Chile

Mehr als 3.500 Exoplaneten - Planeten in anderen Sonnensystemen - wurden bislang schon entdeckt. Doch keiner ist uns so nah wie Proxima Centauri b (auch: Proxima Cen b), dessen Entdeckung die Europäische Südsternwarte (ESO) Ende August 2016 bekannt gab. Astronomen um Guillem Anglada-Escudé von der Queen Mary University of London haben den kleinen Exoplaneten entdeckt: Seine Masse beträgt mindestens 1,3 Erdmassen, er könnte also ein Gesteinsplanet wie die Erde sein.

Proxima Centauri b vielleicht von Wasser bedeckt

Hier wurde Exoplanet Proxima Centauri b entdeckt

Ein Team französischer und US-amerikanischer Forscher legte nach: Es kann Wasser auf dem Exoplaneten geben, vielleicht ist er gar komplett von einem gigantischen Meer bedeckt. Allerdings handelt es sich um ein reines Rechenspiel der Astronomen. Sie haben überlegt, welche Größe der Planet haben könnte. Denn von Proxima Cen b ist zwar die Masse bekannt, weil diese aus den von ihm verursachten, minimalen Bewegungen seines Sterns errechnet werden konnte. Doch den Radius des Planeten könnten Astronomen nur dann feststellen, wenn der Planet aus unserer Sicht vor seiner Sonne hindurchziehen würde. Das tut er aber nicht.

Also haben die Forscher um Bastien Brugger von der Universität Aix-Marseille in Zusammenarbeit mit Kollegen des französischen CNRS (Centre national de la recherche scientique) und der Cornell-Universität in New York verschiedene Modelle für den möglichen Aufbau von Proxima Centauri b durchgerechnet - unter der Annahme, es handle sich dabei um einen erdähnlichen Gesteinsplaneten, was angesichts seiner 1,3 Erdmassen nahe liegt.

Modell 1: klein, dicht und aus viel Metall wie Merkur

Varianten für den möglichen Aufbau des Exoplaneten Proxima Centauri b

Die kleinstmögliche Version des Exoplaneten wäre ein Gesteinsplanet mit einem Radius von knapp 6.000 Kilometern, etwas kleiner als die Erde. Dann müsste er eine extreme Dichte haben und bestünde im Inneren wohl aus einem Metallkern, der 65 Prozent seiner Masse bildete. Flüssiges Wasser auf der Oberfläche wäre nicht ausgeschlossen, solange das Wasser nicht mehr als 0,05 Prozent der Planetenmasse ausmachte. Zum Vergleich: Bei der Erde, unserem blauen Planeten, macht der Wasseranteil sogar nur 0,023 Prozent der Masse aus, also halb so viel.

Modell 2: von tiefen Ozeanen bedeckt

Ozeanplanet

Die größtmögliche Variante von Proxima Cen b hätte einen Radius von 8.920 Kilometern - 1,4-mal größer als der Erdradius. Sein Volumen wäre fast 2,8-mal größer als das der Erde. Er dürfte also nur eine sehr geringe Dichte haben. Die Simulation des möglichen Planetenaufbaus ergab, dass der Exoplanet dann gar keinen Metallkern hätte. Er bestünde zur Hälfte aus Gestein (im Inneren), zur Hälfte aus Wasser, das den Planeten komplett bedeckt - tiefes Wasser: Dieser Ozean wäre 200 Kilometer tief. Darunter käme zwar immer noch Wasser, es wäre durch den hohen Druck in der Tiefe aber zu Eis gepresst. Und erst in einer Tiefe von mehr als drei Kilometern würde man auf den Gesteinskern stoßen.

Nur ein Rechenspiel. Und Modell 2 dürfte auch nicht allzu wahrscheinlich sein: Solche Ozeanplaneten, die komplett von Wasser bedeckt sind, sind eine rein hypothetische Annahme. Was das Forscherteam zeigen wollte, ist, dass beide Extreme ihrer vielen Modelle zum Aufbau von Proxima Centauri b weiterhin die Möglichkeit erlauben, dass es dort Leben geben könnte. Allerdings steht diese Möglichkeit unter keinem guten Stern - buchstäblich:

Unser Nachbarstern Proxima Centauri - eine düstere Sonne

Proxima Centauri, die Sonne, um die der Exoplanet Proxima Centauri b kreist, ist nur gut 4,2 Lichtjahre von unserer Sonne entfernt und damit der uns nächstgelegene Stern. Er gehört zum Sternbild Zentaur, das von der Südhalbkugel aus am Sternenhimmel gesehen werden kann. Proxima Centauri würde Ihnen aber am Firmament nicht auffallen: Er ist ein roter Zwerg - eine Sonne mit so wenig Masse, dass sie nicht besonders hell ist. Zum Vergleich: Unsere Sonne, immerhin ein gelber Zwerg, hat etwa achtmal so viel Masse wie Proxima Centauri.

Planet kreist dicht um seine düstere Sonne

Aber sonst scheint einiges ganz anders zu sein auf Proxima Centauri b. Er rast in nur 11,2 Tagen einmal um seine Sonne Proxima Centauri, von der er gerade mal sieben Millionen Kilometer entfernt ist. Zum Vergleich: Die Erde ist zwanzigmal weiter von der Sonne weg, selbst Merkur, unser innerster Planet, hat achtmal mehr Abstand zu seiner zentralen Hitzequelle als der 2016 entdeckte Exoplanet.

In habitabler Zone seiner Sonne

Obwohl Proxima Cen b so dicht bei seinem Stern ist, könnte es auf ihm nach Ansicht von Anglada-Escudé Leben geben - zumindest theoretisch: Der Exoplanet befindet sich in der habitablen (bewohnbaren) Zone um seinen Stern, in der die Temperaturen das Vorkommen von flüssigem Wasser zulassen. Denn seine Sonne ist weder hell noch heiß: Die Leuchtkraft unserer Sonne ist fast 600-mal größer als die des Sterns Proxima Centauri. Dafür hat der Planet mit ein paar anderen Widrigkeiten zu kämpfen.

Endloser Tag, endlose Nacht

Ein Exoplanet dicht bei seiner Sonne

Weil er so dicht und schnell um sie flitzt, kreist der kleine Exoplanet vermutlich in gebundener Rotation um den Stern, wie der Mond um die Erde. Das heißt, der Planet wendet seiner Sonne immer die gleiche Seite zu, auf der ein nimmer endender und vermutlich sehr heißer Sommertag herrscht. Auf der Rückseite des Planeten ist dagegen ewige, kalte Nacht.

Permanentes Bombardement

Und seine Sonne ist zwar düster, aber keineswegs nur ein sanftes Dämmerlicht: Sonnen mit so geringen Massen sind sehr rege, ihre Materie wird ständig umgewälzt wie "in einem Topf kochenden Wassers, das durch intensives Brodeln komplett durchmischt wird," so die ESO. Die Folge: Der Stern flackert und spotzt. Immer wieder kommt es zu Helligkeitsausbrüchen, Flares und kurzfristigen starken Magnetfeldern. Der Planet Proxima Cen b ist vermutlich einem Bombardement hochenergetischer Teilchen ausgesetzt, vielleicht auch starker Röntgenstrahlung. Sollte er eine Atomsphäre besitzen, gäbe es dort sicher tolle Polarlichter zu sehen.

Für die Raumfahrt nicht nah genug

Vermutlich gibt es also eher kein Leben auf Proxima Cen b. Spannend ist er aber trotzdem für die Forschung. Nicht unbedingt, weil er so nahe ist. Selbst für eine ambitionierte Raumfahrt ist der Planet sehr weit weg - rund vierzig Billionen Kilometer. Das ist etwa zweitausendmal weiter, als die Sonde Voyager 1 bislang geflogen ist - und die ist schon fast vierzig Jahre unterwegs! Eine private Initiative plant allerdings, mit lasergetriebenen Nanosonden erstmals ins Centauri-System vorzudringen.

Für Astronomen ist Proxima Cen b auch deshalb interessant, weil er um einen roten Zwerg kreist - der häufigste Sterntyp im All. Doch es wird wohl noch lange dauern, bis die Wissenschaft mehr weiß über die Zusammensetzung und Beschaffenheit des Exoplaneten, denn er versteckt sich gut vor uns.

Für den Exoplaneten-Profi Kepler nicht zu finden

Sein Stern ist der nächste Nachbar unserer Sonne, trotzdem musste Guillem Anglada-Escudé lange suchen, um Proxima Cen b zu entdecken. Einen ersten Verdacht, dass um den Stern Proxima Centauri ein Planet kreisen könnte, hatten andere Astronomen schon vor fast 17 Jahren. Anglada-Escudé fand dann 2013 erste Hinweise auf den Exoplaneten. Doch über Änderungen in der Helligkeit des Sterns, durch die beispielsweise das Kepler-Teleskop mehr als 2.000 Exoplaneten gefunden hat, war bei Proxima Centauri kein Planet zu finden. Nur Exoplaneten, die genau zwischen uns (beziehungsweise Kepler) und ihrem Stern hindurch ziehen, können so entdeckt werden.

So findet man einen Exoplaneten

Stetes Zerren

Grafische Darstellung der Radialgeschwindigkeitsmethode | Bild: BR

Mit der Radialgeschwindigkeitsmethode misst man, wie stark ein Planet an dem Stern zerrt, den er umkreist.

Radialgeschwindigkeitsmethode - das Zerren am Stern

Die Sterne, um die Exoplaneten vermutet werden, lassen sich aufgrund ihrer Leuchtkraft sehr detailliert von der Erde aus beobachten. Sie umkreisende Planeten sind dagegen für uns unsichtbar. Doch bei manchen Sternen stellt man ein leichtes Trudeln fest - oft nur wenige Meter pro Sekunde. Diese Bewegung des Sterns entsteht, wenn er von einem größeren Körper umkreist wird: Wie ein Stein in einer Steinschleuder zerrt der Planet an dem Stern, den er umkreist.

Lange Zeit konnte man so aber nur Planeten finden, die vielfach größer als die Erde sind - und manches Mal zu groß: Oft handelt es sich dann nicht um einen Planeten, sondern um einen lichtschwachen Zwergstern. Mit dieser Methode wurden anfangs die meisten Exoplaneten entdeckt. Und: So erfährt man auch gleich, welche Masse der Exoplanet hat.

Kleiner Schatten

Grafische Darstellung der Transitmethode | Bild: BR

Beim Transit (Vorbeiziehen) des Planeten vor dem Stern sinkt dessen Leuchtkraft ein kleines bisschen.

Transitmethode - ein winziger Schatten

Eine zweite Methode zur Entdeckung eines Planeten bei einem fernen Stern ist die sogenannte "Transitmethode": Zieht der Planet vor seinem Stern vorbei, verringert er dessen Lichtstärke ein wenig. Wie ein winziger Schatten wird er in ganz regelmäßigen Abständen messbar - entsprechend seiner Umlaufperiode um seine Sonne. Der Nachteil dieser Methode: Sie ist nur selten anwendbar: Den Transit des Planeten vor seinem Stern können wir nur dann sehen, wenn wir seitlich auf das ferne Sonnensystem blicken. Nur dann tritt der Planet zwischen uns und seinen Stern und macht sich bemerkbar.

Der Vorteil der Transitmethode ist, dass nicht nur Masse und Größe des Planeten genau festgestellt werden können. Wir können sogar die Zusammensetzung seiner Atmosphäre untersuchen, wenn er sich gerade vor den Stern schiebt.

Lichtspitzen

Grafische Darstellung des Mikrogravitationslinseneffekts | Bild: BR

Ein Stern mit planetarem Begleiter verstärkt das Licht des dahinterliegenden Sterns nicht nur an einer Stelle, sondern an zwei.

Gravitationslinseneffekt - Einblicke mit Einstein

Albert Einstein stellte fest, dass Masse den Raum krümmt - und damit auch Lichtstrahlen beugt, die im Weltall unterwegs sind. Dieser Effekt sorgt dafür, dass unser Sternenhimmel voller Lupen ist: Ein Stern im Vordergrund verstärkt wie durch eine Linse das Licht eines weit entfernten Sterns, wenn sich dieser genau hinter ihm befindet - aus unserer Blickrichtung.

Hat der vordere Stern noch einen Begleiter, weist die Lichtkurve des hinteren Sterns zwei Spitzen statt einer auf. Doch diese Methode lässt sich nur dort anwenden, wo der Sternenhimmel so dicht ist, dass wir aus unserem Blickwinkel zwei Sterne genau hintereinander finden - etwa beim Blick in Richtung galaktisches Zentrum. Zudem sagt sie wenig über den Begleiter aus: Es könnte ein Planet sein oder ein zweiter Stern. Auch über seine Größe oder Entfernung gibt diese Methode keinen Aufschluss.

Schnappschuss

Der Exoplanet 2M1207b (links unten) beim Braunen Zwerg 2M1207

Direkte Beobachtung - Schnappschuss ferner Planeten

Manchmal gelingt es, Exoplaneten direkt zu beobachten. Im September 2004 ging zum ersten Mal ein "Foto" eines Exoplaneten durch die Presse: Links neben dem Stern 2M1207 ist deutlich ein zweites Objekt erkennbar: der Exoplanet 2M1207b. Die Aufnahmen im Infrarotbereich unterscheiden sich allerdings deutlich von Fotos, wie wir sie sonst kennen: Die Größe der Objekte etwa entsprechen nicht einer realen Größe, sondern nur der Lichtmenge, die das Objekt ausstrahlt.

Da Photonen von zwei unterschiedlichen Quellen aufgefangen wurden, ist dieses Bild der erste direkte Nachweis eines Exoplaneten - nicht nur ein aus Unregelmäßigkeiten seines Sterns errechneter. Gemacht wurde das Bild übrigens von der Erde aus: Mit dem Very Large Telescope, das die Europäische Südsternwarte ESO in Chile betreibt. Bedauerlicherweise lassen sich bislang so nur sehr große Exoplaneten nachweisen, die in großer Entfernung um ihren Stern kreisen, der selbst nicht allzu hell sein darf.

Winziges Wackeln im Visier

Kreist der Exoplanet jedoch in einem anderen Winkel um seine Sonne, bleibt nur die sogenannte Radialgeschwindigkeitsmethode, um ihn aufzuspüren: ein leichtes "Wackeln" des Sterns, das wir messen können. Denn Stern und Planet bilden ein Doppelsystem, das um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreist. Zwar ist der Stern darin das Schwergewicht, dennoch zerrt der Planet ein wenig an ihm. Und das können wir hier auf der Erde sehen, wenn wir ganz, ganz genau schauen:

Kleine Schwankungen beim zentralen Stern

Kommt uns der Stern näher, wird sein Licht etwas blauer. Entfernt er sich, wird es röter. Ähnlich wie sich die Tonlage bei der Sirene eines vorbeifahrenden Feuerwehrautos ändert. Bei Proxima Centauri gibt es dieses leise Ruckeln im Farbspektrum. Allerdings ist es so gering, dass es an der Grenze der Messbarkeit liegt. Oder auch durch Helligkeitsausbrüche der wankelmütigen roten Zwergsonne verursacht sein könnte.

Viel Geduld bei der Suche

Fast drei Monate lang hat Anglada-Escudé Nacht für Nacht den blassen Stern beobachtet, mit dem hochpräzisen Spektrograf HARPS am La Silla-Observatorium der ESO in Chile. Und konnte damit den regelmäßigen 11,2-Tage-Rhythmus der Spektralverschiebung feststellen, die der kreisende Planet Runde für Runde verursacht.

Viele Jahre und immer noch 11,2 Tage

In den Jahren 2000 bis 2007 nahmen der Astronom Martin Kürster vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und sein Team mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO Proxima Centauri unter die Lupe. Und entdeckten ebenfalls Hinweise auf einen Planeten, der alle 11,2 Tage um den Stern kreist. Dass nach all diesen Jahren die Schwankungen immer noch regelmäßig alle 11,2 Tage auftauchen, überzeugte das Astronomen-Team von der Existenz des Exoplaneten Proxima Centauri b.


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