Noch vor einer Generation befand sich die Idee, dass ein Planet einen fernen Stern umkreist, im Bereich der Science-Fiction. Aber seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1988 haben wir Hunderte von ihnen gefunden, wobei die Entdeckungen im Laufe der Zeit schneller vonstatten gehen.
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Im vergangenen Monat enthüllten NASA-Astronomen in einer einzigen Ankündigung die Entdeckung von 715 zuvor unbekannten Planeten in Daten, die vom Kepler-Weltraumteleskop gesammelt wurden, wodurch sich die Gesamtzahl der bekannten Exoplaneten auf 1771 erhöhte Einige sind voller Wasser, andere sind ungefähr erdgroß und andere sind mehr als doppelt so groß wie der Jupiter.
Die allermeisten dieser fernen Planeten haben jedoch eines gemeinsam: Mit wenigen Ausnahmen sind sie zu weit entfernt, als dass wir sie mit unseren stärksten Teleskopen sehen könnten. Woher wissen Astronomen, dass sie dort sind?
In den letzten Jahrzehnten haben Forscher eine Vielzahl von Techniken entwickelt, um die vielen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu orten. Diese werden häufig in Kombination verwendet, um die ursprüngliche Entdeckung zu bestätigen und mehr über die Eigenschaften des Planeten zu erfahren. Hier finden Sie eine Erläuterung der wichtigsten bisher verwendeten Methoden.
Transit
Stellen Sie sich einen kleinen Planeten vor, der einen weit entfernten Stern umkreist. Gelegentlich kann der Planet zwischen Ihnen und seinem Stern vorbeiziehen und einen Teil des Sternenlichts kurzzeitig blockieren. Wenn diese Verdunkelung mit ausreichender Frequenz erfolgt, können Sie möglicherweise auf die Anwesenheit des Planeten schließen, auch wenn Sie ihn nicht sehen können.
(Bild über Wikimedia Commons / Nikola Smolenski) Dies ist im Wesentlichen die Transitmethode zum Auffinden von Exoplaneten, die für die meisten unserer bisherigen Entdeckungen verantwortlich ist. Für ferne Sterne ist es natürlich unmöglich, dass das bloße menschliche Auge eine Verdunkelung der Lichtmenge zuverlässig erkennt. Daher verlassen sich Wissenschaftler zum Sammeln und Analysieren auf Teleskope (insbesondere das Kepler-Weltraumteleskop) und andere Instrumente diese Daten.
Für einen Astronomen sieht das "Sehen" eines fernen Exoplaneten über die Transitmethode im Allgemeinen ungefähr so aus:
Die Menge an Licht von einem fernen Stern, die grafisch dargestellt wird, fällt ein, während ein Planet zwischen ihm und uns übergeht. (Bild über Wikimedia Commons / Сам посчитал) In einigen Fällen kann das Ausmaß der Verdunkelung, das der Planet zwischen seinem Stern und uns verursacht, den Astronomen auch eine grobe Schätzung der Planetengröße mitteilen. Wenn wir die Größe eines Sterns und die Entfernung des Planeten von ihm kennen (letztere wird durch eine andere Erkennungsmethode bestimmt, Radialgeschwindigkeit, weiter unten in dieser Liste) und wir beobachten, dass der Planet einen bestimmten Prozentsatz des Lichts des Sterns blockiert, können wir Berechnen Sie den Radius des Planeten ausschließlich anhand dieser Werte.
Das Versandverfahren weist jedoch Nachteile auf. Ein Planet muss korrekt ausgerichtet sein, um zwischen uns und seinem Stern vorbeizukommen. Je weiter er sich in der Umlaufbahn befindet, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese Ausrichtung erfolgt. Berechnungen zufolge besteht für einen erdgroßen Planeten, der seinen Stern in derselben Entfernung umkreist wie wir (ca. 93 Millionen Meilen), nur eine Wahrscheinlichkeit von 0, 47 Prozent, dass er richtig ausgerichtet ist, um eine Verdunkelung zu verursachen.
Die Methode kann auch zu einer hohen Anzahl von Fehlalarmen führen - Phasen des Verdunkelns, die wir als transitierende Planeten identifizieren, die aber letztendlich durch etwas völlig anderes verursacht werden. Eine Studie ergab, dass bis zu 35 Prozent der in Kepler-Daten identifizierten großen Planeten in enger Umlaufbahn tatsächlich nicht vorhanden sein könnten, und dass die Verdunkelung auf Staub oder andere Substanzen zurückzuführen ist, die sich zwischen uns und dem Stern befinden. In den meisten Fällen versuchen Astronomen, Planeten, die mit dieser Methode gefunden wurden, mit anderen Methoden in dieser Liste zu bestätigen.
Orbitale Helligkeit
In einigen Fällen lässt ein Planet, der seinen Stern umkreist, die Lichtmenge, die die Erde erreicht, eher ansteigen als abfallen. Im Allgemeinen sind dies Fälle, in denen der Planet sehr eng umkreist, so dass er sich so stark erwärmt, dass er nachweisbare Mengen an Wärmestrahlung abgibt.
Obwohl wir diese Strahlung nicht von der des Sterns selbst unterscheiden können, wird uns ein Planet, der in der richtigen Ausrichtung umkreist, in regelmäßigen Abständen (ähnlich den Mondphasen) ausgesetzt, also regelmäßig und regelmäßig Wenn die Lichtmenge steigt, die Weltraumteleskope von diesen Sternen empfangen, kann daraus auf die Anwesenheit eines Planeten geschlossen werden.
Ähnlich wie bei der Transitmethode ist es mit dieser Technik einfacher, große Planeten zu entdecken, die nahe an ihren Sternen kreisen. Obwohl bisher nur eine Handvoll Planeten mit dieser Methode entdeckt wurden, kann dies langfristig die produktivste Methode sein, da kein Exoplanet direkt zwischen uns und dem Stern vorbeiziehen muss, damit wir ihn erkennen können Dies eröffnet eine viel größere Bandbreite möglicher Entdeckungen.
Radiale Geschwindigkeit
In der Grundschule wird uns beigebracht, dass ein Sonnensystem ein stationärer Stern ist, der von langsam umlaufenden Planeten, Asteroiden und anderen Trümmern umgeben ist. Die Wahrheit ist jedoch etwas komplizierter: Aufgrund der Anziehungskraft der Planeten wackelt der Stern auch ganz leicht vom Schwerpunkt des Systems weg:
(Bild über Wikimedia Commons / Zhatt) Das Phänomen sieht ungefähr so aus: Ein großer Planet, der über genügend Masse verfügt, kann den Stern möglicherweise auf sich zuziehen, was dazu führt, dass sich der Stern nicht mehr genau in der Mitte des weit entfernten Sonnensystems befindet. So können periodische, vorhersehbare und dennoch winzige Verschiebungen der Sternposition verwendet werden, um auf die Anwesenheit eines großen Planeten in der Nähe dieses Sterns zu schließen.
Astronomen haben dieses Phänomen genutzt, um Hunderte von Exoplaneten zu entdecken. Bis vor kurzem, als es vom Transit übertroffen wurde, war diese Methode (als Radialgeschwindigkeit bezeichnet) für die Mehrzahl der entdeckten Exoplaneten verantwortlich.
Es mag schwierig erscheinen, kleine Bewegungen in Sternen zu messen, die Hunderte von Lichtjahren entfernt sind, aber es stellt sich heraus, dass Astronomen aufgrund des Doppler-Effekts erkennen können, wenn sich ein Stern mit einer Geschwindigkeit von nur einem Meter pro Sekunde auf die Erde zu (oder von ihr weg) beschleunigt.
Der Effekt ist das Phänomen, dass Wellen (ob Schall, sichtbares Licht oder andere Formen elektromagnetischer Energie) eine etwas höhere Frequenz aufweisen, wenn sich das Objekt, das sie aussendet, auf einen Beobachter zubewegt, und eine etwas geringere Frequenz, wenn es sich wegbewegt. Sie haben es selbst erlebt, wenn Sie jemals das hohe Wimmern einer Sirene eines sich nähernden Krankenwagens gehört haben, die beim Wegfahren durch einen etwas niedrigeren Ton ersetzt wurde.
Ersetzen Sie den Krankenwagen durch einen fernen Stern und den Klang einer Sirene durch das Licht, das sie aussendet, und Sie haben so ziemlich die Idee. Mithilfe von Spektrometern, die die besonderen Frequenzen des von einem Stern emittierten Lichts messen, können Astronomen nach offensichtlichen Verschiebungen suchen, die anzeigen, dass sich der Stern etwas näher zu uns bewegt oder etwas davon entfernt.
Der Grad der Bewegung kann sogar die Masse des Planeten widerspiegeln. In Kombination mit dem Radius des Planeten (berechnet über die Transitmethode) können Wissenschaftler die Dichte des Planeten und damit seine Zusammensetzung bestimmen (zum Beispiel, wenn es sich um einen Gasriesen oder einen felsigen Planeten handelt).
Diese Methode unterliegt ebenfalls Einschränkungen: Es ist viel einfacher, einen größeren Planeten zu finden, der einen kleineren Stern umkreist, da sich ein solcher Planet stärker auf die Bewegung des Sterns auswirkt. Relativ kleine erdgroße Planeten wären wahrscheinlich schwer zu entdecken, besonders in großen Entfernungen.
Direkte Bildgebung
In einigen seltenen Fällen konnten Astronomen Exoplaneten auf einfachste Weise finden: indem sie sie sahen.
Drei massive Planeten - wahrscheinlich größer als Jupiter - wurden 2010 direkt auf der Umlaufbahn des Sterns HR8799 abgebildet. (Der Stern selbst ist mit einem Koronagraph blockiert. (Bild über NASA / JPL-Caltech / Palomar Observatory) Diese Fälle sind aus einigen Gründen so selten. Um einen Planeten von seinem Stern unterscheiden zu können, muss er relativ weit von ihm entfernt sein (man kann sich leicht vorstellen, dass beispielsweise Merkur von weitem nicht von der Sonne zu unterscheiden ist). Aber wenn ein Planet zu weit von seinem Stern entfernt ist, wird er nicht genug vom Licht des Sterns reflektieren, um überhaupt sichtbar zu sein.
Exoplaneten, die am zuverlässigsten von Teleskopen gesehen werden können, sind groß (wie Jupiter) und sehr heiß, so dass sie ihre eigene Infrarotstrahlung abgeben, die von Teleskopen erkannt und zur Unterscheidung von ihren Sternen verwendet werden kann. Planeten, die braune Zwerge umkreisen (Objekte, die technisch nicht als Sterne klassifiziert sind, weil sie nicht heiß oder massiv genug sind, um Fusionsreaktionen auszulösen, und daher wenig Licht abgeben), können ebenfalls leichter erkannt werden.
Die direkte Bildgebung wurde auch verwendet, um einige besonders massive Schurkenplaneten zu entdecken - solche, die frei im Weltraum schweben, anstatt einen Stern zu umkreisen.
Gravitationslinsen
Alle vorherigen Methoden in dieser Liste sind für Nichtwissenschaftler auf einer intuitiven Ebene sinnvoll. Gravitationslinsen, mit denen eine Handvoll Exoplaneten entdeckt werden, erfordern etwas abstrakteres Denken.
Stellen Sie sich einen Stern sehr weit weg und einen anderen Stern ungefähr auf halber Strecke zwischen ihm und der Erde vor. In seltenen Momenten könnten sich die beiden Sterne fast aneinander reihen einander am Nachthimmel überlappend. In diesem Fall wirkt die Schwerkraft des näheren Sterns wie eine Linse und vergrößert das einfallende Licht des fernen Sterns, wenn er sich ihm nähert, um uns zu erreichen.
Eine Simulation der Gravitationslinse, bei der das Licht einer fernen Galaxie kurzzeitig durch ein Schwarzes Loch im Mittelgrund vergrößert wird. (Bild über Urbane Legende) Wenn ein Stern mit einem Planeten in der Nähe der Umlaufbahn als Gravitationslinse dient, kann das Gravitationsfeld dieses Planeten einen geringfügigen, aber nachweisbaren Beitrag zum Vergrößerungsereignis leisten. So konnten Astronomen in einigen seltenen Fällen auf die Anwesenheit ferner Planeten schließen, indem sie das Licht noch weiter entfernterer Sterne vergrößerten.
Ein Diagramm der Entdeckungen von Exoplaneten nach Jahr, wobei die Erkennungsmethode durch Farbe dargestellt wird. Grün = Transit, Blau = Radialgeschwindigkeit, Rot = Direktabbildung, Orange = Gravitationslinse. (Bild über Wikimedia Commons / Aldaron)
