Es ist eine herausfordernde Nacht für die Astronomie am Lick Observatory in der Nähe von San Jose, Kalifornien. Die Lichter des Silicon Valley schimmern unter dem 400 Meter hohen Gipfel des Mount Hamilton und lassen die schwächsten Sterne verschwinden. Von Norden her rücken Wolken mit drohendem Regen näher. Auf dem Berggipfel stehen zehn Teleskopkuppeln, und ich gehe eine steile Auffahrt zur größten hinauf. Es gibt ein unheimliches Geräusch, als würde ein loser Fensterladen im Wind stöhnen. Es ist die Kuppel selbst, die knarrt, während sie sich dreht, um die Öffnung über dem sich langsam bewegenden Teleskop in der Mitte zu halten.
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Chris McCarthy, Astronom an der San Francisco State University (SFSU), begrüßt mich an einer Seitentür. Er trägt ein kleines Licht am Kopf und führt mich über Metalltreppen durch das Innere der Kuppel, die für nächtliche Beobachtungen dunkel gehalten werden, in den warmen Kontrollraum. Dort sitzen Howard Isaacson, ein SFSU-Senior, und Keith Baker, ein Teleskoptechniker, an Computerbildschirmen inmitten dicker Kabelbündel und Racks mit veralteter Elektronik. McCarthy und Isaacson unterhalten sich und trinken heißen Tee, während Baker das Teleskop mit seiner Computermaus justiert. Vor Sonnenaufgang werden die Astronomen Licht von Dutzenden von Sternen sammeln. Sie hoffen, dass einige der Stars neue Welten beherbergen.
In einer Ära, in der Rover den Mars erforschen und weltraumgestützte Teleskope blendende Bilder des Kosmos über der Dunkelheit der Erdatmosphäre aufnehmen, fühlt sich die Routine bei Lick, ein 47 Jahre altes Teleskop stundenlang auf Stern für Stern zu richten, eher an urig. Diese Astronomen sind jedoch Mitglieder eines Teams, das zu den besten im Bereich der Planetenjagd zählt. Verwenden Sie Teleskope in Hawaii, Chile und Australien sowie die am Lick Observatory, um etwa 2.000 Sterne zu überwachen - die meisten von ihnen sind ruhig und im mittleren Alter wie unsere Sonne und so nah an der Erde, dass große Teleskope einen klaren Blick auf ihre Sterne haben Bewegungen - das Team hat ungefähr zwei Drittel der 200 Planeten gefunden, die bisher außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt wurden. (Der jüngste Trubel darüber, wie man einen Planeten in unserem Sonnensystem definiert, hat den Planetenstatus dieser fernen Objekte nicht gefährdet.)
Einige der neu entdeckten extrasolaren Planeten oder Exoplaneten, wie sie genannt werden, sind riesige Welten von der Größe des Jupiters, die ihre Sterne auf engen, brodelnden Umlaufbahnen umkreisen, weit näher als Merkurs Umlaufbahn um die Sonne. Andere schießen nah an ihre Sterne heran und schwingen sich dann auf eiförmigen Pfaden weit hinaus, wobei sie kleinere Körper zerstreuen, während sie gehen. Einige neugeborene Planeten schleudern ihre Geschwisterplaneten in einen feurigen Untergang oder in die Tiefen des Alls.
Nirgendwo zu sehen - zumindest noch nicht - ist ein Sonnensystem wie das unsere, mit festen Planeten in der Nähe der Sonne und Gasriesenplaneten auf geordneten Prozessionen, die weiter entfernt sind. Ein solches System ist der wahrscheinlichste Ort, an dem ein felsiger Planet wie die Erde Milliarden von Jahren in einer stabilen Umlaufbahn überlebt. Vielleicht ist es parochial, aber Astronomen, die anderswo im Kosmos nach Lebenszeichen suchen - eine Suche, die die Suche nach Exoplaneten anregt -, suchen nach Planeten und Sonnensystemen, die unseren ähnlich sind, mit einem Planeten, der weder zu weit von einem Stern entfernt noch ihm zu nahe ist und vielleicht mit Wasser auf der Oberfläche. Das kalifornische Team sagt, es sei nur eine Frage der Zeit, erdähnliche Planeten zu finden.
Immerhin ist die Erforschung von Exoplaneten noch sehr neu. Vor einem Jahrzehnt dachten die Astronomen, es sei unmöglich, sie vor dem strahlenden Licht ihrer Sterne zu sehen. Einige Astronomen versuchten, Exoplaneten zu finden, indem sie nach Sternen suchten, die zu wackeln schienen und von der Schwerkraft unsichtbarer Körper, die um sie kreisten, gezerrt wurden. Die meisten Experten bezweifelten jedoch, dass der Ansatz funktionieren würde. "Die Leute hielten es für wertlos, nach Planeten zu suchen", sagt McCarthy. "Es war ein Schritt über der Suche nach außerirdischer Intelligenz, und das war ein Schritt über der Entführung durch Außerirdische. Jetzt ist es einer der größten wissenschaftlichen Fortschritte des 20. Jahrhunderts."
Der erste Exoplanet, der 1995 von Michel Mayor und Didier Queloz von der Universität Genf in der Schweiz entdeckt wurde, war ein riesiges Objekt, das halb so groß wie Jupiter war und sich alle vier Tage in einer rasenden Umlaufbahn um einen sonnenähnlichen Stern drehte. Der Stern im Sternbild Pegasus ist etwa 50 Lichtjahre entfernt. Weitere "heiße Jupiter" oder riesige gasförmige Planeten, die in der Nähe von Sternen kreisen, tauchten schnell auf, schon allein deshalb, weil diese großen Körper ihren Elternsternen die stärksten Wackelbewegungen auferlegen.
Obwohl Astronomen diese Planeten nicht direkt beobachtet haben, schlussfolgern sie, dass sie gasförmig sind, aufgrund ihrer schieren Größe und dem, was über die Planetenbildung bekannt ist. Ein Planet verschmilzt in den großen Staub- und Gasscheiben, die die Sterne umgeben, aus den Trümmern. Wenn es eine bestimmte Größe erreicht - die 10- bis 15-fache Größe der Erde -, übt es eine solche Anziehungskraft aus und saugt so viel Gas an, dass es zu einem Gasriesen wird.
Als sich die Messtechniken verbesserten, erkannten die Astronomen allmählich kleinere Planeten - zuerst von der Größe des Saturn, dann bis hinunter zu Neptun und Uranus. Nach einigen Jahren der Entdeckung von Exoplaneten sahen die Wissenschaftler einen vielversprechenden Trend: Als die Größen, die sie erkennen konnten, kleiner wurden, gab es immer mehr von ihnen. Der Prozess, der Planeten baut, scheint die Kleinen zu bevorzugen, nicht die Titanen.
In den letzten anderthalb Jahren entdeckten das kalifornische Team und eine Gruppe von Forschern in Paris die kleinsten Exoplaneten, die bisher um sonnenähnliche Sterne gesehen wurden: Die beiden Planeten waren nur fünf- bis achtmal so groß wie die Masse der Erde. Astronomen sagen, solche Welten könnten hauptsächlich aus Metall und Gestein bestehen, vielleicht mit dichten Atmosphären. Der Exoplanet, den der Astronom Geoff Marcy von der University of California in Berkeley und seine Kollegen gefunden haben, befindet sich in der Nähe seines Sterns und ist wahrscheinlich zu heiß, als dass sich Flüssigkeit auf seiner Oberfläche ansammeln könnte. Der andere Planet umkreist weit entfernt von einem schwachen Stern und kann so kalt sein wie Pluto. Dennoch war die Erkenntnis, dass nicht alle Exoplaneten riesige Gaskugeln sind, ein Meilenstein für das Feld. "Dies sind die ersten plausibel felsigen Welten", sagt Marcy. "Zum ersten Mal entdecken wir unsere planetaren Verwandten unter den Sternen."
Das überraschendste Merkmal von Exoplaneten, so Marcy, sei, eines Tages in seinem Büro auf dem Berkeley-Campus, ihre ungewöhnliche Umlaufbahn. In dem klassischen "Draufsicht" -Diagramm unseres Sonnensystems zeichnen die Planeten (mit Ausnahme von Oddball Pluto, der kürzlich zu einem Zwergplaneten herabgestuft wurde) fünfzig konzentrische Kreise um die Sonne. Marcy greift hinter seinen Schreibtisch und holt ein Orrery heraus, ein mechanisches Modell unseres Sonnensystems. Metallkugeln an den Enden der spindeldürren Arme drehen sich um die Sonne. "Wir alle haben erwartet, diese kreisförmigen Bahnen mit Phonographenrille zu sehen", sagt Marcy. "Das ist, was die Lehrbücher über Planetensysteme besagten. Als wir 1996 zum ersten Mal anfingen, exzentrische Umlaufbahnen zu sehen, sagten die Leute, sie könnten keine Planeten sein. Aber sie erwiesen sich als Vorbote der kommenden Dinge."
Kurz nach Mitternacht im Lick-Observatorium machen die Astronomen gute Fortschritte auf der Checkliste der Nacht mit 40 Sternen. Ihre Ziele sind normalerweise nicht die Hauptsterne der Sternbilder, aber dennoch sind viele hell genug, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. "Wenn ich mit meinen Freunden unterwegs bin, kann ich auf ein paar Sterne verweisen, von denen wir wissen, dass sie Planeten haben", sagt Howard Isaacson. Ein besonders heller Stern in der Andromeda-Konstellation hat drei.
McCarthy bietet an, das Erfolgsgeheimnis des Teams bei der Spionage von Exoplaneten zu enthüllen. Wir betreten die dunkle Kuppel und gehen unter dem Teleskop hindurch, dessen drei Meter breiter Spiegel die schwachen Lichtstrahlen entfernter Sterne sammelt und fokussiert. Ich hatte das riesige Teleskop bei Tagestouren gesehen, aber nachts sieht es viel vitaler aus. Die dicken Metallstreben waren angewinkelt wie die Beine einer hohen Gottesanbeterin, die zum Himmel blickte. McCarthy führt mich in einen engen Raum unter der Kuppel, in dem das vom Spiegel des Teleskops gebündelte Sternenlicht in einen Zylinder strömt, der kleiner als eine Getränkedose ist. Es ist in blauen Schaum gewickelt, mit Glas an beiden Enden. Es sieht innen leer aus, aber mir wurde gesagt, dass es voll mit Jodgas ist, das auf 122 Grad Fahrenheit erhitzt wurde.
Diese Jodzelle wurde von Marcy und seinem ehemaligen Studenten Paul Butler entwickelt, der heute Astronom an der Carnegie Institution in Washington DC ist. Wenn Licht von einem Stern durch das heiße Gas strömt, absorbieren Jodmoleküle bestimmte Wellenlängen des Lichts. Das verbleibende Licht wird von einem Instrument, das wie ein Prisma wirkt, in einen Regenbogen gestreut. Da das Jod Lichtanteile abgezogen hat, werden dunkle Linien wie ein langer Supermarkt-Strichcode über das Spektrum gestreut. Jeder Stern trägt seine eigene Signatur von Lichtwellenlängen, die von der Atmosphäre des Sterns absorbiert wurden. Diese Wellenlängen verschieben sich leicht, wenn sich ein Stern auf uns zu oder von uns weg bewegt. Die Astronomen vergleichen die Sternsignatur dunkler Linien von Nacht zu Nacht und von Monat zu Monat und von Jahr zu Jahr mit den stabilen Jodlinien. Da es so viele feine Linien gibt, ist es möglich, auch kleinste Verschiebungen zu erkennen. "Es ist, als würde man den Stern an ein Millimeterpapier halten", sagt McCarthy. "Die Jodlinien bewegen sich nie. Wenn sich der Stern also bewegt, verwenden wir die Jodlinien als Lineal, an dem diese Bewegung gemessen wird."
Für etwas so Großes wie einen Stern können die einzigen Dinge, die eine regelmäßige, sich wiederholende Verschiebung verursachen, die Schwerkraftschlepper eines anderen Sterns sein, die Astronomen aufgrund der Lichtsignatur eines Begleitsterns und seiner schweren Masse leicht erkennen können, oder die Umlaufbahn eines verborgenen Planeten um es herum. Die Jodzelle kann einen Stern verfolgen, der sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren Fuß pro Sekunde (menschliche Schrittgeschwindigkeit) über die weite Leere von Billionen von Kilometern des Weltraums bewegt. Diese Sensibilität ist der Grund, warum viele Planetenjagdteams die Jodzelle verwenden.
Ich schaue hinein und sehe ein paar zerknitterte Folien und Heizdrähte, die sich durch den blauen Schaum schlängeln. Klebebandstreifen scheinen Teile davon zusammenzuhalten. Nachdem wir in den Kontrollraum zurückgekehrt sind, kichert McCarthy und weist auf den Slogan auf Keith Bakers Sweat-Shirt hin: "Wenn es hart auf hart kommt, wird das Klebeband hart."
Je seltsamer geformte und ungleichmäßig verteilte Umlaufbahnen von Astronomen gefunden werden, desto mehr wird ihnen klar, dass der natürliche Prozess der Planetenbildung Chaos und Unordnung hervorruft. "Es wurde deutlich, dass unser Sonnensystem mit seiner schönen Dynamik und Architektur viel stabiler war als das Sonnensystem um andere Sterne", sagt der theoretische Astrophysiker Greg Laughlin von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz, der mit dem Team von Marcy und Butler zusammenarbeitet. Es war eine gewaltige Aufgabe, herauszufinden, wie neue Planeten auf ihre seltsamen Pfade gelangten. Laughlin entwirft Computermodelle von Exoplaneten-Umlaufbahnen, um zu versuchen, die Historien der Planeten neu zu erstellen und ihre Schicksale vorherzusagen. Er konzentriert sich auf die Rolle der Schwerkraft bei der Zerstörung. Wenn sich beispielsweise ein großer Planet auf einer exzentrischen Umlaufbahn bewegt, kann seine Schwerkraft wie eine Schleuder wirken und kleinere nahe gelegene Welten schleudern. "In einigen dieser Systeme", sagt Laughlin, "kann ein erdähnlicher Planet, der sich in einer bewohnbaren Umlaufbahn befindet, buchstäblich innerhalb von Wochen ausgeworfen werden."
Wechselwirkungen zwischen Planeten könnten im Kosmos weit verbreitet sein, sagen Laughlin und seine Kollegen. Von fast 20 Sternen ist bekannt, dass sie mehr als einen Planeten umkreisen, und einige dieser geschwisterlichen Exoplaneten sind in einem Tanz eingeschlossen, der "Resonanz" genannt wird. Beispielsweise benötigt ein Planet, der einen Stern namens Gliese 876 umkreist, 30 Tage für die Umlaufbahn, während ein anderer Planet fast genau doppelt so lange benötigt. Laughlins Berechnungen zeigen, dass ihre gegenseitige Anziehungskraft eine stabile, uhrähnliche Anordnung zwischen den beiden Planeten bewahrt.
Resonanzen sind starke Hinweise darauf, dass die Planeten weit von ihren Geburtsorten abgewandert sind. Die Scheibe aus Staub und Gas, die embryonale Planeten hervorbringt, hat eine eigene Schwerkraft. Die Scheibe schleppt sich auf den Planeten und zieht sie allmählich nach innen in Richtung des Sterns oder zwingt sie in einigen Fällen nach außen. Während diese Wanderung Hunderttausende von Jahren dauert, geraten einige Exoplaneten in Resonanz mit ihren Nachbarn. Wenn große Planeten auf engem Raum landen, peitschen sie sich gegenseitig herum und erzeugen einige der exzentrischen Umlaufbahnen, die das Team sieht. Zumindest ist das die derzeit beste Vermutung.
Andere Planeten sind nicht lange für diese Welt. Laughlins Computermodelle deuten darauf hin, dass einige der Planeten, die ihren Sternen am nächsten liegen, in sie eintauchen werden, während weiter entfernte Planeten sich ihren Weg in kleinere Umlaufbahnen bahnen, vielleicht in einer Angelegenheit von Hunderttausenden von Jahren. Diese Erforschung ferner Sonnensysteme hat ein faszinierendes Szenario über unser eigenes Sonnensystem entstehen lassen. Einige Astronomen vermuten, dass Venus, Erde und Mars Planeten der "zweiten Generation" sind, Nachfolger früherer Körper, die näher an der Sonne geboren wurden und nach innen wanderten, bis sie verbraucht waren.
Hat das beobachtete Chaos im Universum schlimme Konsequenzen für kleine felsige Planeten? Gar nicht, sagt Laughlin. Die Technik zum Messen des Hin- und Herbewegens von Sternen, die so empfindlich ist, müsste etwa zehnmal feiner sein, um Objekte von der Größe der Erde zu enthüllen. Satellitenteleskope, deren Start in den nächsten Jahren geplant ist, könnten jedoch "Schatten" fremder Erden erkennen, wenn die kleinen Planeten vor ihren Sternen vorbeiziehen. Laughlin sagt voraus, dass die Satelliten solche Körper in Scharen finden werden, sogar um Sterne herum, wo noch keine großen Planeten gesehen wurden. "Es ist sehr wahrscheinlich, dass [sonnenähnliche] Sterne von terrestrischen Planeten begleitet werden", sagt er. "Mein intuitives Gefühl ist, dass unser Sonnensystem überhaupt nicht ungewöhnlich ist."
Berkeleys Geoff Marcy ist einverstanden, weil er sagt, dass jeder Stern mit genügend Rohmaterial geboren wurde, um viele Planeten zu erschaffen. Viele feste Planeten wie die Erde sollten sich bilden, wenn Staub zu Kieselsteinen verschmilzt, die immer wieder zusammenstoßen und Asteroiden, Monde und Planeten bilden. "Vielleicht sind Jupiter selten", sagt er, "aber felsige Planeten sind mit ziemlicher Sicherheit weit verbreitet. Ich verstehe nur nicht, wie schwer es sein kann, eine Erde zu erschaffen."
Der kleine Exoplanet, der kürzlich von Marcy und Butlers Team entdeckt wurde, unterstützt diese Ansicht. Sie fanden es, als sie die beiden resonanten Planeten im Gliese-876-System überwachten, das 15 Lichtjahre entfernt ist. Etwas übte subtile zusätzliche Schlepper auf die Umlaufbahnen der Planeten aus, und die beste Erklärung dafür ist ein dritter Planet, der vielleicht 7, 5-mal so massereich ist wie die Erde. Aufgrund seiner Größe ist der Planet wahrscheinlich eher felsig wie die Erde als ein Gasriese. Die Entdeckung war ein wichtiger Schritt zur Beantwortung der Frage: Können wir potenzielle Lebensräume für ein anderes Leben finden?
Die Astronomen hofften, dass die Frage von einer NASA-Satellitenmission mit dem Namen Terrestrial Planet Finder beantwortet werden würde. Es sollte über das Erkennen von Exoplaneten hinausgehen: Es sollte Bilder der verlockendsten Exoplaneten aufnehmen und deren Atmosphäre analysieren. Aber zu Beginn dieses Jahres hat die NASA die Mission ausgesetzt, hauptsächlich aufgrund von Budgetüberschreitungen von der Raumstation und dem Space Shuttle und der erwarteten Kosten für den Plan, Menschen zum Mars zu schicken.
In der Zwischenzeit sucht das kalifornische Team nach weiteren Exoplaneten. In wenigen Monaten werden Marcy und ihre Mitarbeiterin Debra Fischer von SFSU bei Lick mit einem neuen Teleskop namens Automated Planet Finder arbeiten, das über das empfindlichste Lichtanalysegerät verfügt, das bisher für die Suche nach Exoplaneten entwickelt wurde. Das Roboterinstrument scannt jede klare Nacht etwa 25 vielversprechende Sterne und kann Planeten entdecken, die drei- bis fünfmal so groß sind wie die Erde. "Dies wird das erste Teleskop der Welt sein, das sich ganz der Planetenjagd widmet", sagt Fischer. "Die Leute dachten, es würde Milliarden-Dollar-Weltraummissionen erfordern, um andere Planeten wie die Erde zu finden, aber ich denke, wir haben einen Schuss vom Boden darauf."
Marcy sagt, Planeten von der Erde zu finden ist nur der Anfang. "Letztendlich müssen wir mit einem Roboter-Raumschiff und einer kleinen Digitalkamera den kleinen Welpen zu Tau Ceti oder Epsilon Eridani schicken", sagt Marcy und nennt zwei Sterne in der Nähe, die besonders vielversprechend sind, um erdähnliche Planeten zu beherbergen. Sie sind 12 bzw. 10, 5 Lichtjahre entfernt. "Sicher, es wird 100 Jahre dauern [um die Technologie zu entwickeln], aber es ist ein wunderbares Ziel für unsere Spezies, und es liegt in unserer Reichweite. Es ist absolut technisch machbar, die ersten Bilder von der Oberfläche eines Planeten um einen anderen Stern herum zu machen Wir können eine globale Mission starten, einen Abgesandten von der Erde. Die Bemühungen, die wir jetzt unternehmen, sind lediglich Aufklärung für diese Mission, aber es ist eine herrliche Aufklärung, die ersten Oasen in der kosmischen Wüste zu entdecken. "
Robert Irion leitet das Science Communication Program an der University of California in Santa Cruz. Fotograf Peter Menzel ist Co-Autor von Hungry Planet: What the World Eats .
