Latest / Fakten zum Einschlafen – Das Universum / Wie finden wir Welten um ferne Sterne? - Die Methoden der Exoplanetensuche | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

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Wie finden wir Welten um ferne Sterne? - Die Methoden der Exoplanetensuche | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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  Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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  Seit Jahrhunderten war es unter Astronomen eine
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  vernünftige Überzeugung, da unser Sonnensystem
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  nichts Besonderes ist, müssen auch andere Sterne
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  eigene Planeten besitzen. Doch lange Zeit fehlte
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  jeder methodische Weg, diese Annahme mit echten
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  Messungen zu untermauern. Ein Planet leuchtet
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  nicht selbst und geht im gleißenden Licht seines
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  Muttersterns unter. Die Geschichte der Exoplanetensuche
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  ist daher eine Geschichte physikalischer Einfallsreichtum,
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  bei der Wissenschaftler lernten, die subtilsten
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  Spuren im Sternenlicht zu lesen. Die Episode
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  zeichnet diesen weg von der gescheiterten Astrometrie
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  bis zu den modernen Weltraumteleskopen nach.
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  Wir betrachten, wie die Radialgeschwindigkeitsmethode
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  das Wackeln eines Sterns misst und wie die Transitmethode
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  winzige Helligkeitseinbrüche nutzt, um nicht
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  nur die Größe eines Planeten, sondern sogar die
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  Zusammensetzung seiner Atmosphäre zu entschlüsseln.
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  Dabei zeigt sich, dass andere Planetensysteme
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  völlig anders aufgebaut sind als unseres, was
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  uns zwingt, unsere Vorstellungen von planetarer
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  Entstehung immer wieder zu korrigieren. Bei der
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  Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder
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  zu einer Frage zurück, wie kann man etwas so
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  Winziges und Dunkles nachweisen, das hunderte
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  Billionen Kilometer entfernt ist? Mich fasziniert,
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  wie verschiedene Messmethoden von der Schwerkraft
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  bis zur Lichtfilterung zusammenwirken, um ein
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  immer klares Bild ferner Welten zu zeichnen.
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  Es ist beruhigend zu sehen, wie aus einer jahrhundertealten
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  unbewiesenen Überzeugung durch präzise Beobachtung
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  ein robustes Wissensgebiet geworden ist. Seit
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  Jahrhunderten vertaten Astronomen eine vollkommen
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  vernünftige Überzeugung, andere Sterne müssen
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  ihre eigenen Welten besitzen. Denn unser ist
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  gewöhnlich und das Universum kennt keine Bevorzugung.
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  Was ihnen fehlte, war nicht Logik, sondern ein
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  Weg, diese Überzeugung greifbar zu machen. Es
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  ging darum, eine bequeme Annahme in etwas zu
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  verwandeln, das sich wiegen, korrigieren und
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  gegen die Beweise standhaft halten ließ. Ein
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  Planet leuchtet nicht. Er ertrinkt im Licht seines
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  Muttersterns, getrennt durch Winkel, die kleiner
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  sind als die Breite einer Nadel, die man mit
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  ausgestrecktem Arm hält. Gegen den Helligkeitskontrast
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  von 1 zu einer Milliarde ist eine Welt, die eine
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  andere Sonne umkreist, weniger sichtbar als ein
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  Glühwürmchen, das neben einem Suchscheinwerfer
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  schwebt. Seit Jahrhunderten vertaten Astronomen
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  eine vernünftige Überzeugung, Planeten müssen
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  häufig sein, denn unser eigenes Sonnensystem
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  ist gewöhnlich und das Universum scheint uns
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  nicht für eine Sonderbehandlung herauszugreifen.
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  Philosophen vertrauten dieser Logik. Das kopermekanische
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  Prinzip, dass wir keinen bevorzugten Platz einnehmen,
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  verlangte praktisch danach, dass andere Sterne
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  ihre eigenen Erden und Jupiter und Neptune beherbergen.
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  Aber hier liegt der Riss in dieser beklemen Annahme.
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  Zu glauben, dass etwas existiert, ist nicht dasselbe
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  wie zu wissen, wie man es findet. Die Sterne
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  sind fern. Bei all unserer Gewissheit, dass andere
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  Welten da draußen waren, hatten wir keine Möglichkeit,
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  sie zu berühren. Kein Foto, keine Messung, kein
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  Beweis. Die Überzeugung war solide, aber sie
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  war hohl. Und in der Wissenschaft ist eine Überzeugung
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  ohne Methode eine Überzeugung ohne Gewicht. Dies
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  ist die Geschichte, wie dieses Gewicht verdient
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  wurde. Der erste ernsthafte Versuch, diese Welten
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  zu finden, suchte nicht nach dem Planeten selbst.
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  Er suchte nach der Reaktion des Sterns. Wenn
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  ein massereicher Planet einen Stern umkreist,
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  umkreisen tatsächlich beide Körper einen gemeinsamen
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  Schwerpunkt. Der Stern bewegt sich geringfügig
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  in einem winzigen Kreis. Misst man diese Bewegung,
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  hat man seinen Planeten gefunden. Das war die
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  Astrometrie, präzise Verfolgung von Sternpositionen
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  über Jahre hinweg, auf der Suche nach einem Wackeln
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  am Himmel. Sie scheiterte. Nicht, weil die Idee
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  falsch war. Die Physik war makellos, sondern
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  weil das Wackeln kleiner war als die Fehler.
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  Die benötigte Präzision war etwa 10 .000 Mal
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  feiner als das, was Instrumente des 20. Jahrhunderts
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  liefern konnten. Um diese Größenordnung zu fühlen,
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  es war, als würde man beobachten, wie eine Person
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  in New York ihr Gewicht um einen einzigen Millimeter
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  verlagert. Betrachtet durch ein Teleskop in London.
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  Behauptungen wurden aufgestellt. Sie wurden zurückgezogen.
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  Die Methode war nicht unehrlich, sie war schlicht
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  unzureichend. Und dieses Scheitern war bedeutsam,
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  denn es erzwang eine entscheidende Frage, wenn
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  wir den Stern nicht seitwärts wandern sehen können,
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  was können wir sonst messen? Die Antwort kam
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  von einer anderen Eigenschaft des Lichts selbst.
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  Wenn ein Stern auf uns zu - und von uns wegwackelt,
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  werden seine Lichtwellen gestaucht und gedehnt.
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  Die Farbe verschiebt sich unmerklich ins Blaue,
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  und dann ins Rote. Das ist der Doppler -Effekt,
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  bekannt vom Klang einer vorbeifahrenden Sirene,
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  angewandt auf Sternenlicht. Die Methode heißt
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  Radialgeschwindigkeit. Astrometrie war wie der
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  Versuch, von einem fernen Ufer aus zu sehen,
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  wie ein Boot seitlich schaukelt. Radialgeschwindigkeit
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  war, als würde man hören, wie sich die Tonhöhe
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  seines Horns verändert, während es sich nähert
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  und entfernt. Man muss den Winkel nicht auflösen.
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  Man liest stattdessen die Frequenzverschiebung.
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  Die konzeptionelle Verschiebung ist subtil, aber
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  entscheidend. Mitte der 1990er Jahre hatten sich
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  die Instrumente so weit verbessert, dass sie
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  Geschwindigkeitsänderungen von etwa 15 Metern
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  pro Sekunde nachweisen konnten, später verfeinert
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  auf etwa drei. Um das zu begreifen, drei Meter
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  pro Sekunde ist ungefähr Schritttempo. Das an
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  einem Objekt nachzuweisen, das hunderte Billionen
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  Kilometer entfernt ist, ist außergewöhnlich.
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  Aber es war genug. 1995 gaben zwei in Frankreich
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  arbeitende Astronomen, Michel Mayor und Didier
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  Kellotz, bekannt, dass der Stern 51 Pegasi in
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  seiner Geschwindigkeit ein - und ausatmete, in
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  einem Zyklus von vier Einvierteltagen. Der daraus
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  abgeleitete Planet war massereich, mindestens
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  halb so schwer wie Jupiter. Und er umkreiste
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  seinen Stern unwahrscheinlich nah, näher als
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  Merkur an unserer Sonne. Das war 51 Pegasi. B,
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  der erste bestätigte Exoplanet, um einen sonnenähnlichen
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  Stern. Die Entdeckung wurde innerhalb von Tagen
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  von einem unabhängigen Team in Kalifornien bestätigt.
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  Diese schnelle Wiederholung war von enormer Bedeutung.
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  Das Signal hätte eine Pulsation des Sterns selbst
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  sein können oder eine Oberflächenunregelmäßigkeit,
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  die ins Blickfeld rotierte. Aber zwei verschiedene
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  Instrumente, zwei verschiedene Gruppen sahen
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  denselben Rhythmus. Der Planet war real. Und
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  er war nichts wie das, was irgendjemand erwartet
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  hatte. Heiße Jupiter, wie diese eng kreisenden
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  Riesen genannt wurden, hatten keinen Platz in
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  unserem Sonnensystem. Ihre Existenz zerbrach
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  sofort die Annahme, dass andere Planetensysteme
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  unserem ähneln würden. Die Korrektur war nicht
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  sanft. Sie war eine Kollision zwischen Erwartung
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  und Beweis. Astronomen mussten fragen, wie gelangt
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  ein Planet von Jupitermasse dahin, dass er die
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  Oberfläche seines Sterns streift. Theorien der
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  Planetenwanderung, zuvor für möglich, aber nicht
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  notwendig gehalten, wurden unvermeidlich. Aber
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  die Radialgeschwindigkeitsmethode hat bei all
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  ihrem Triumph eine grundlegende Grenze. Sie misst
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  Geschwindigkeitsänderung. Und das liefert eine
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  Mindestmasse. Sie verrät nicht, ob die Umlaufbahn
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  zu unserer Sichtlinie geneigt ist oder nicht.
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  Man weiß, dass der Planet da ist. Man weiß ungefähr,
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  wie massereich er sein muss. Aber man kennt seine
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  Größe nicht. Man weiß nicht, ob er dicht ist,
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  wie Gestein oder aufgebläht wie Gas. Man weiß
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  nicht, ob er eine Atmosphäre hat oder was diese
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  Atmosphäre enthalten könnte. Die Methode entdeckte
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  Welten, aber sie konnte sie nicht charakterisieren.
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  Die nächste Korrektur kam von einem noch subtileren
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  Effekt. Wenn die Umlaufbahn eines Planeten so
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  ausgerichtet ist, dass er aus unserer Perspektive
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  vor seinem Stern vorbeizieht, blockiert er einen
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  kleinen Bruchteil des Sternenlichts. Stellen
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  Sie sich vor, Sie halten eine Münze mit ausgestrecktem
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  Arm und bewegen sie in einem Kreis um eine ferne
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  Straßenlaterne. Von Ihrer Position aus wird die
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  Münze nur dann das Gesicht der Lampe kreuzen,
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  wenn Ihr Kreis perfekt auf Kante steht. Kippen
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  Sie den Kreis leicht, wandert die Münze darüber
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  oder darunter hinweg für Sie unsichtbar. Die
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  Verdunklung ist winzig. Bei einem Planeten von
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  Jupitergröße, der einen Stern von Sonnengröße
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  kreuzt, sinkt das Licht um etwa ein Prozent.
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  Bei einem Planeten von Erdgröße um ungefähr ein
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  Hundertstelprozent. Aber wenn die Instrumente
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  empfindlich genug sind, kann man diesen Einbruch
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  sehen. Und wenn man sieht, dass er sich mit derselben
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  Periode wiederholt, die die Radialgeschwindigkeit
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  vorhergesagt hat, hat man etwas Außergewöhnliches,
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  unabhängige Bestätigung und eine Messung der
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  tatsächlichen Größe des Planeten. 1999 wurde
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  beobachtet, wie der Planet Heide 2045 b, bereits
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  bekannt aus Radialgeschwindigkeitsmessungen,
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  seinen Stern durchquerte. Die Tiefe der Verdunklung,
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  etwa eineinhalb Prozent, entsprach dem, was ein
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  Gasriese erzeugen würde. Kombiniert mit der Masse
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  aus den Geschwindigkeitsmessungen berechneten
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  Astronomen eine Dichte, die geringer war als
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  die von Wasser. Das war keine Gesteinswelt. Das
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  war eine Gaskugel, erhitzt auf Tausende von Grad,
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  die so eng kreiste, dass ihre Atmosphäre in einem
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  kometenartigen Schweif davon geblasen wurde.
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  Die Tansit -Methode tat mehr als bestätigen.
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  Sie öffnete eine Tür zur Atmosphäre. Während
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  eines Tansits filtert ein kleiner Bruchteil des
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  Sternenlichts durch den atmosphärischen Rand
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  des Planeten. Die Moleküle in dieser Atmosphäre
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  absorbieren bestimmte Farben des Lichts und hinterlassen
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  Fingerabdrücke im Spektrum. 2002 wurde Natrium
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  in der Atmosphäre von HD 2455 b nachgewiesen,
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  die erste Identifikation eines Bestandteils in
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  der Luft einer fremden Welt. Die erforderliche
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  Präzision war außergewöhnlich, Flussänderungen
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  von weniger als einem halben Prozent zu messen
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  bei einem Konfidenzniveau, das sorgfältige statistische
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  Behandlung verlangte. Aber es hielt Stand. Nun
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  konvergierten zwei unabhängige Methoden. Die
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  Radialgeschwindigkeit fand die Masse. Der Transit
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  fand den Radius und zunehmend die Atmosphäre.
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  Zusammen lieferten sie Dichte, Hinweise auf Zusammensetzung
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  und, wenn sich mehrere Transite ansammelten,
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  Temperaturprofile. Das Feld entdeckte nicht mehr
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  bloß Planeten. Es begann, sie zu kennen. Aber
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  der Transit hat seine eigenen Beschränkungen.
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  Er erfordert geometrisches Glück. Die Umlaufbahn
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  muss unsere Sichtlinie kreuzen. Nur ein kleiner
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  Bruchteil der Planeten erfüllt das. Und der Transit
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  allein kann ohne Nachbeobachtung per Radialgeschwindigkeit
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  die Masse nicht bestimmen. Die beiden Methoden
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  wurden untrennbare Partner. Jede korrigierte
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  die Grenzen der anderen. Bis 2009 veränderte
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  ein neues Instrument den Maßstab der Suche. Das
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  Weltraumteleskop Kepler starrte auf einen einzigen
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  Himmelsfleck und maß die Helligkeit von 150 .0
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  Sternen mit außergewöhnlicher Stabilität. Über
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  vier Jahre entdeckte es Tausende von Planeten
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  per Transit, genug um zu zählen. Nicht nur einzelne
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  Welten zu finden, sondern abzuschätzen, wie häufig
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  Planeten sind. Die Statistiken waren überwältigend.
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  Etwa die Hälfte der sonnenähnlichen Sterne beherbergt
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  Planeten irgendeiner Größe. Etwa einer von fünf
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  hat einen erdgroßen Planeten in der habitablen
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  Zone, dem Bereich, in dem Temperaturen flüssiges
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  Wasser erlauben könnten. Die Unsicherheit reicht
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  ungefähr von einem von acht bis zu einem von
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  drei, je nachdem wie die Grenzen der habitablen
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  Zone gezogen werden und welche Sterntypen einbezogen
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  sind. Doch selbst Kepler brachte neue Rätsel
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  hervor. Die Verteilung der Planetengrößen war
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  nicht glatt. Es gab eine Lücke, eine Wüste zwischen
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  etwa eineinhalb und zwei Adradien. Unterhalb
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  dieser Lücke sind Planeten dicht und wahrscheinlich
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  felsig. Oberhalb davon sind sie in dichte Atmosphären
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  aus Wasserstoff und Helium gehüllt, eher wie
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  Mini -Neptune. Etwas trennt diese Populationen.
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  Zwei Erklärungen konkurrieren. Die eine schlägt
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  vor, dass intensive Strahlung junger Sterne die
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  Atmosphären kleinerer Planeten wegkocht und nackte
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  Gesteinskerne zurücklässt. Die andere legte nahe,
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  dass Wärme aus der Entstehung des Planeten selbst
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  den Verlust antreibt. Wenn die Fotoevaporation
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  dominiert, sollte sich die Lücke mit der Strahlungsgeschichte
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  des Sterns verschieben. Wenn der kernbetriebene
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  Verlust dominiert, sollte sie sich mit dem inneren
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  Wärmehaushalt des Planeten verschieben. Aktuelle
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  Daten zeigen Hinweise auf beide Muster, weshalb
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  die Debatte lebendig bleibt. Beide Mechanismen
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  könnten wirken. Keiner ist vollständig bestätigt.
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  Die Lücke ist real. Ihre Ursache bleibt umstritten.
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  Währenddessen reiften andere Methoden heran.
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  Die direkte Abbildung, lange für unmöglich gehalten
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  wegen des Kontrasts von 1 zu einer Milliarde
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  zwischen Stern und Planet, begann zu gelingen
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  mit Hilfe von Koronografen und adaptiver Optik.
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  Diese Instrumente blockieren das Licht des Sterns
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  und korrigieren die atmosphärische Unschärfe.
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  Dadurch machen sie Riesenplaneten in weiten Umlaufbahnen
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  sichtbar, genau dort, wo Radialgeschwindigkeit
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  und Transit am wenigsten empfindlich sind. Das
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  System Heer eben 1799, 2008 abgebildet, zeigte
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  vier Planeten, die in einer staubigen Scheibe
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  kreisten, jeder mehrere Jupitermassen schwer.
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  Jeder glühend im Infraroten mit der Wärme ihrer
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  Entstehung. Der Gravitationsmikrolinseffekt bot
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  einen weiteren Unabhängigen weg. Wenn ein Stern
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  vor einem weiter entfernten Stern vorbeizieht,
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  verstärkt seine Schwerkraft das Hintergrundlicht.
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  Hat der Vordergrundstern einen Planeten, zeigt
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  das Verstärkungsmuster eine kurze zusätzliche
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  Spitze. Diese Methode entdeckt Planeten in Entfernungen,
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  die mit der Umlaufbahn des Jupiters um die Sonne
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  vergleichbar sind. Sie füllt die Lücke zwischen
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  den nahen Welten, die Transit - und Radialgeschwindigkeit
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  finden, und den weit entfernten Riesen, die die
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  Abbildung findet. Durch Musterungen der Kollaborationen
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  Ogle und Mohr bestätigten, dass Planeten auch
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  in diesen mittleren Regionen häufig sind, im
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  Einklang mit Keplers statistischen Hochrechnungen.
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  Jede Methode sieht eine andere Scheibe der Planetensysteme.
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  Die Radialgeschwindigkeit ist voreingenommen,
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  zugunsten massereicher Planeten nahe an ihren
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  Sternen. Der Transit erfordert geometrische Ausrichtung,
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  liefert aber Demografie. Die direkte Abbildung
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  bevorzugt junge, massereiche, ferne Planeten.
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  Der Mikrolinseneffekt sondiert die kalten äußeren
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  Bereiche. Keine einzelne Methode erzählt die
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  ganze Wahrheit. Aber wo sie sich überlappen,
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  wo unabhängige Kanäle übereinstimmen, wird das
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  Vertrauen robust. Die Konvergenz ist der Punkt.
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  Ein Planet, der per Transit entdeckt, per Radialgeschwindigkeit
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  bestätigt, mit Transmissionsspektroskopie in
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  seiner Atmosphäre vermessen und vielleicht schließlich
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  direkt abgebildet wurde. Das ist keine einzelne
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  Beobachtung. Es ist ein Netz aus sich gegenseitig
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  stützenden Messungen. Die Masse -Radius -Beziehung,
• 18:32
  die Häufigkeitsraten, die atmosphärischen Eigenschaften,
• 18:36
  all das stabilisiert sich, wenn mehrere Methoden
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  in dieselbe Richtung weisen. Die Präzision hat
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  sich unerbittlich verbessert. Radialgeschwindigkeitsinstrumente
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  erreichen jetzt 30 cm pro Sekunde und nähern
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  sich dem Bereich erdähnlicher Planeten um kleine
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  Sterne. Die photometrische Präzision aus dem
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  Weltraum hat Teile pro Million erreicht. Die
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  Astrometrie, die Methode, die anfangs scheiterte,
• 19:05
  wurde von der Gaia -Mission wiederbelebt und
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  erreicht Mikrobogen -Sekundenpräzision 10 .000
• 19:12
  Mal besser als die gescheiterten Versuche der
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  1980er Jahre. Sie bestätigt nun unabhängig Planetenmassen
• 19:20
  und Bahnneigungen und schließt Schleifen, die
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  frühere Methoden nicht schließen konnten. Aber
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  Präzision bringt auch neue Spannungen hervor.
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  Einige kompakte Meerplanetensysteme zeigen Massenmessungen
• 19:34
  aus Radialgeschwindigkeit und Tansitzzeitvariationen,
• 19:39
  die auf dem 2 - bis 30 -Manniveau nicht übereinstimmen.
• 19:44
  Sternaktivität, Sternflecken. Pulsationen, magnetische
• 19:48
  Zyklen, führt Rauschen ein, das planetare Signale
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  nachahmt oder verdeckt. Die Position der Radiuslücke
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  verschiebt sich geringflügig je nach Sternmasse
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  auf Weise, die von aktuellen Modellen des Atmosphärenverlusts
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  nicht vollständig erklärt wird. Das sind keine
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  Fehlschläge. Sie sind die Reibung, die Verfeinerung
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  antypt. Was wir heute wissen, ist dies. Planeten
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  sind außerordentlich häufig. Sie bilden sich
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  in vielfältigen Architekturen, die oft die Vorlage
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  unseres Sonnensystems verletzen. Ihre Zusammensetzungen
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  reichen von nacktem Gestein bis zu Gasliesen
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  mit einer Übergangszone, die weiterhin aktiv
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  untersucht wird. Ihre Atmosphären können sondiert
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  werden und werden es zunehmend auf Moleküle hin,
• 20:37
  die auf geologische oder sogar biologische Prozesse
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  hindeuten könnten. Wir vertrauen darauf, weil
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  kein einzelner Faden es trägt. Die Schlussfolgerung
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  ruht auf Bewegung, gemessen im Sternenlicht,
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  auf Verdunkelung, gemessen in Photonenzahlen,
• 20:55
  auf gravitative Biegung fernen Lichts und auf
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  direkte Abbildung glühender Welten. Jede Methode
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  hat Grenzen. Jede hat Verzerrungen. Aber wo sie
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  konvergieren, ist das Wissen stabil. Was ungewiss
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  bleibt, ist erheblich. Wir haben die Atmosphäre
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  eines gemäßigten erdgroßen Planeten in der habitablen
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  Zone nicht direkt gemessen. Das James -Webb -Weltraumteleskop
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  kann das für kleine Planeten um rote Zwergsterne
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  leisten. Aber es erfordert Dutzende von Transits
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  und Jahre der Beobachtung. Wir wissen nicht,
• 21:33
  ob die felsigen Supererden und die gasförmigen
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  Subneptune unterschiedliche Geburtsorte oder
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  unterschiedliche Schicksale darstellen. Wir haben
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  keinen Exomond mit hoher Sicherheit gefunden,
• 21:44
  obwohl sie mit ziemlicher Sicherheit vorhanden
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  sind. Wir können noch keine Kontinente, Ozeane
• 21:50
  oder Wettermuster auf irgendeiner Welt jenseits
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  unseres Sonnensystems sehen. Die Instrumente
• 21:57
  verbessern sich weiter. Die Methoden überprüfen
• 22:00
  sich weiter gegenseitig. Die Präzision vertieft
• 22:03
  sich. Und mit ihr werden die Fragen schärfer.
• 22:07
  Die Überzeugung, dass andere Welten existieren,
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  ist nicht länger hohl. Sie ist gefüllt worden,
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  Methode für Methode, mit dem Gewicht der Messung.
• 22:18
  Und dieses Gewicht sammelt sich weiter an.