"In Planetensystemen wird richtig gekegelt"

"Ein Universum voller verwirrender Planeten" lautete ein Vortrag, den die deutsche Planetenforscherin Ludmila Carone anlässlich der diesjährigen Yuri's Night im Technischen Museum Wien hielt. Carone, die im niederländischen Leuven forscht und lehrt, war bereits an der Entdeckung zahlreicher Exoplaneten beteiligt, unter anderem im Zuge der französischen CoRoT-Mission. Die futurezone traf die Exoplaneten-Expertin während ihres Wien-Aufenthalts zu einem ausführlichen Gespräch über ferne Welten. Besondere Aktualität erhält dieses Gespräch durch die kürzlich bekannt gegebene Entdeckung des erdgroßen Exoplaneten Kepler 186f.

futurezone: Frau Carone, bei Ihrem Vortrag während der Yuri's Night sprachen Sie über die Migrationsbewegung von Planeten innerhalb eines Planetensystems. Was passiert dabei genau?
Ludmila Carone: Planeten interagieren miteinander. Durch ihre Anziehungskraft können sie sich gegenseitig in ihrer Bewegung stören oder sogar weggeschleudert werden. Gasriesen, die üblicherweise auf weit außen liegenden Bahnen entstehen, haben bei Begegnungen mit anderen Objekten die Tendenz, weiter nach innen zu rücken und andere Objekte weg vom Stern zu schleudern. Wenn es zwei oder mehr Gasriesen in einem System gibt, treten auch bestimmte Resonanzen auf, die Auswirkungen auf andere Teile des Planetensystems haben.

Gibt es so etwas auch in unserem Sonnensystem?
Ja, zwischen Jupiter und Saturn ist das ähnlich. Es gibt das so genannte Nizza-Modell, das ein Phänomen erklärt, das vor ungefähr vier Milliarden Jahren stattfand. Der Jupiter umkreiste damals die Sonne zwei Mal, während der Saturn eine Umrundung zurücklegte. Das Verhältnis von 2:1 ist sehr instabil, eine Resonanz, die schnell auseinanderläuft. An den Bahnen von Jupiter und Saturn hat das wenig geändert, aber Uranus und Neptun haben wegen dieser Resonanz sogar die Plätze getauscht.

Zwischen Planeten geht es also wilder zu, als man denkt?
In Planetensystemen wird richtiggehend gekegelt. Wenn Gasriesen mal so rumhüpfen, werden alle kleineren Teile in alle Richtungen verstreut. Das Nizza-Modell erklärt auch, warum es in unserem Sonnensystem eine Phase gab, wo relativ viel Zeug in relativ kurzer Zeit im Inneren des Sonnensystems eingeschlagen ist. Die Folgen dieses 'late heavy bombardment' sieht man an zahlreichen Kratern auf dem Merkur und dem Mond.

Können durch solche Bewegungen auch Monde von Planeten entfernt werden?
Ja, auf jeden Fall, das geht.

Wohin fliegen die dann?
Sie können komplett aus dem System rausgekickt werden oder sie werden an das äußere Ende des Systems verbannt und nehmen dann meist sehr exzentrische Bahnen ein - ein Beispiel dafür ist etwa der Halleysche Komet. Wenn sich ein normales Planetensystem aus einer Staubscheibe entwickelt, sind alle Bahnen eigentlich schön rund. Es braucht wirklich solche gewalttätigen Rausschmeiß-Ereignisse, um diese geneigten Bahnen zu verursachen.

Gibt es eine Prognose, wie die Entwicklung in unserem Sonnensystem weitergeht? Kommt der Jupiter auf uns zu?
Es gibt tatsächlich so eine Prognose, aber die Berechnung ist sehr schwierig und chaotisch. Man kann nur gewisse Wahrscheinlichkeiten angeben. Die Forscher, die das Nizza-Modell gemacht haben, meinten, dass die Venus vielleicht abhauen könnte. Im Sonnensystem kann noch einiges passieren, das ist nicht statisch, da ist sozusagen noch Leben drin.

Kann es auch sein, dass die Venus weggeschleudert wird und bei besonderem Pech auf der Erde landet?
Das ist weniger wahrscheinlich. Der Weltraum ist sehr groß. Selbst wenn die Venus weggeschleudert wird, ist da noch so viel Platz, dass es extremes Pech wäre, wenn sie die Erde trifft.

Bisher sind rund 1.800 Exoplaneten bestätigt worden. Gibt es darunter auch welche, die sich um den selben Stern bewegen?
Ja, jede Menge. Man hat schon fünf, sechs Planeten um jeweils einen Stern gefunden. Es wird umso komplizierter, je mehr davon um einen Stern kreisen. Es kommt aber auch auf die Entdeckungsmethode an. Einige Methoden kommen damit sehr gut zurecht, wenn es mehr Planeten gibt. Die Transitmethode etwa, mit der Kepler und CoRoT arbeiteten. Mit der Radialgeschwindigkeitsmethode wird es unter Umständen schwierig, Planeten ab dem fünften oder sechsten Stück um einen Stern zu entdecken.

Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, Planetensysteme zu finden, deren Bahnebene so ausgerichtet ist, dass sie von der Erde aus mit der Transitmethode untersucht werden können?
Ich hab das mal ausgerechnet für einen Abstand zwischen Stern und Planet von bis zu 0,1 AU (1 AU ist der mittlere Abstand zwischen Erde und Sonne). Da war der Wert ungefähr fünf Prozent.

Fünf Prozent klingt nach relativ viel.
Naja, bei 0,1 AU sind Sie relativ nah dran. Das sind aber nur Planeten, die an ihrem Stern näher dran sind als der Merkur an der Sonne. Je weiter sie raus gehen, desto schneller sinkt die Entdeckungs-Wahrscheinlichkeit. Aber es gibt ja andere Methoden, die diesen 'Mangel' ausgleichen. Und wirklich schlimm ist es nicht, wenn man nur ein Prozent aller Planetensysteme sieht, denn es gibt so viele, dass Sie immer etwas finden werden.

Mit welcher Methode ist eigentlich der erste Exoplanet entdeckt worden?
Die ersten Exoplaneten sind mit der Pulsar-Timing-Methode entdeckt worden. Ein Pulsar ist ein toter Stern, der rotiert und ein äußerst regelmäßiges Radiosignal aussendet. Wenn nun ein Planet diesen Pulsar zwingt, auf einer kleinen Kreisbahn zu laufen, dann verspätet sich das Signal manchmal und kommt manchmal zu früh. Mit dieser Methode bekommt man auch manchmal Objekte heraus, die nur etwa die Mondmasse besitzen. Das erste Mal fand dies 1992 statt. Seitdem sind nicht so viele dazugekommen.

Wieso nicht?
Pulsare sind relativ selten und Planeten darum entdeckt man auch dementprechend selten. Es ist auch erstaunlich, dass nach einer Sternenexplosion überhaupt Planeten vorhanden sind. Leben findet man darauf jedenfalls bestimmt nicht. Pulsare strahlen eine starke Röntgenstrahlung aus. Planeten um Pulsare sind quasi die Freaks. Die Freaks entdeckte man zuerst und später fand man erst heraus, dass die extrem selten sind.

Wie sensibel sind diese Instrumente, mit denen man Änderungen in der Lichtstärke misst, etwa bei der Radialgeschwindigkeitsmethode?
Im Moment sind wir so weit, dass die Eigenbewegung eines Sterns mit einer Geschwindigkeit von nur einem Meter pro Sekunde festgestellt werden kann. Das ist normale menschliche Spaziergeschwindigkeit. Unsere Instrumente werden aber noch präziser. 2016 kommt ESPRESSO. Damit kann man wahrscheinlich den Größenbereich der Erde knacken.

Je präziser also die Instrumente werden, desto mehr Planeten wird man finden?
Richtig. Es wird dann auch leichter, aus dieser Komfortzone herauszugehen. Als erstes hat man sich ja auf die Planeten gestürzt, die einen einzelnen Stern umkreisen. Weil es leichter ist. Mehrfachsternsysteme sind aber häufiger. Mehr als 50 Prozent aller sonnenähnlichen Sterne befinden sich in einem Mehrfachsternsystem.

Bei der Exoplaneten-Jagd nimmt man vermehrt so genannte Rote Zwerge oder M-Sterne ins Visier. Warum?
Je kleiner ein Stern brennt, desto länger und schwächer brennt er. Die habitable Zone ist umso näher am Stern, je kühler er ist. Deswegen stürzt man sich bei der Suche nach erdähnlichen Planeten eher auf kleine Sterne, vor allem M-Sterne.

Was genau macht diese M-Sterne aus?
Sie haben einfach mehrere Vorteile. Erstens sind sie extrem zahlreich. Die geringe Größe ist ein Vorteil für die Messmethoden, die versuchen, ein Signal im Verhältnis zum Stern zu finden. Je kleiner der Stern ist, desto größer ist das Signal des Planeten. Drittens ist die habitable Zone sehr nahe am Stern. Die Umläufe wiederholen sich schneller, man benötigt also weniger Beobachtungszeit bis zur Bestätigung.

Es scheint so, als ob die Suche nach Leben einen hohen Stellenwert in der Planetenforschung hätte. Ist das tatsächlich so oder gibt es auch andere Motive dabei, die vielleicht sogar spannender für Astronomen sind?
Die Sache mit dem Leben wird gerne vorangestellt, weil sie sexy ist. Aber eigentlich ist es so, dass auch innerhalb der Exoplaneten-Leute nur eine Minderheit nach Leben sucht. Ich persönlich finde es spannender, den großen Kontext zu begreifen. Etwa wie unterschiedlich Planeten sein können, oder wie Atmosphären sich unter ganz anderen Bedingungen verhalten. Es gibt einen Unterschied, zwischen dem, was man am besten verkaufen kann und dem, woran man eigentlich forscht.

Gibt es nach dem technisch beeinträchtigten Kepler momentan ein Weltraumteleskop, das auf die Beobachtung von Exoplaneten spezialisiert ist?
Es wird demnächst eines geben, das TESS. Das ist eine amerikanische Mission, die 2017 starten soll. Auf europäischer Seite basteln man noch am großen Wurf: PLATO. Dabei wird man sich die sonnennächsten Sterne genauer ansehen. Man macht eine Art Rundumbeobachtung und sieht sich Sterne in einem großen Bereich an. Wenn Sie dann Planeten finden, können Sie hinterher genau draufblicken. Mit der Detailuntersuchung solcher Planeten wären Sie jahrzehntelang ausgelastet. TESS ist im Vergleich ein bisschen kleiner, erst PLATO wird so richtig die nächste Phase der Exoplanetenforschung einleiten.

Welches ist eigentlich Ihr Lieblings-Exoplanet?
CoRoT 7b. Das ist der erste Felsplanet, den man außerhalb des Sonnensystems bestätigt hat und ich war an seiner Entdeckung beteiligt. Der dazugehörige Stern, CoRoT 7, hat dabei richtig verrückt rumgezappelt. Es war also richtig knifflig, den Planeten zu entdecken. Ich bin stolz darauf, dass wir den festgenagelt haben.