Pressemitteilung

HARPS entdeckt 50 neue Exoplaneten

Zur bislang reichsten Ausbeute an neuen Planeten gehören auch 16 neue Supererden

12. September 2011

Mithilfe des erfolgreichsten Exoplanetenjägers der Welt, des HARPS-Instruments der ESO, haben Astronomen 50 neue Exoplaneten entdeckt. Darunter sind 16 so genannte Supererden einschließlich eines Planeten, dessen Umlaufbahn am Rande der habitablen Zone seines Muttersterns liegt. Einer Analyse zufolge, die Daten aller bisher von HARPS entdeckten Planeten nutzt, besitzen rund 40% aller sonnenähnlichen Sterne mindestens einen Planeten, der weniger Masse besitzt als der Saturn.

Der HARPS-Spektrograf am 3,6-Meter-Teleskop des La Silla Observatoriums der ESO in Chile ist der erfolgreichste Planetenjäger der Welt [1]. Heute hat das HARPS-Team, das von Michel Mayor von der Universität Genf geleitet wird, die Entdeckung von 50 neuen Exoplaneten bekanntgegeben. Darunter befinden sich auch 16 so genannte Supererden [2]. Dies ist die größte Anzahl neu entdeckter Planeten, die jemals auf einen Schlag bekanntgegeben wurde [3].  Die neuen Ergebnisse wurden auf einer Konferenz zu außergewöhnlichen Sonnensystemen vorgestellt, zu der sich 350 Exoplaneten-Experten im US-Bundesstaat Wyoming zusammengefunden haben.

“Diese reiche Ernte an HARPS-Entdeckungen hat alle unsere Erwartungen übertroffen. Sie schließt eine außergewöhnlich große Zahl an Supererden und Neptun-ähnlichen Planeten ein, die um Sterne kreisen, die unserer Sonne sehr ähnlich sind. Und es kommt noch besser: Die neuen Ergebnisse zeigen, dass sich das Tempo unserer Entdeckungen beschleunigt”, so Mayor.

In den acht Jahren, in denen HARPS mit Hilfe der so genannten Radialgeschwindigkeitsmethode bei sonnenähnlichen Sternen nach Exoplaneten gesucht hat, wurden mit diesem Instrument mehr als 150 neue Planeten entdeckt. Rund zwei Drittel aller Exoplaneten mit einer Masse kleiner als die des Planeten Neptun [4] wurden mit HARPS entdeckt. Diese außergewöhnlichen Ergebnisse sind die Frucht von mehreren hunderten Beobachtungsnächten mit dem Spektrografen [5].

Aus den HARPS-Beobachtungen von 376 sonnenähnlichen Sternen konnten die Astronomen zudem mit deutlich größerer Zuverlässigkeit als bisher abschätzen, wie wahrscheinlich es ist, dass ein solcher Stern einen oder mehrere Planeten mit vergleichsweise geringer Masse (im Gegensatz zu Gasriesen) besitzt. Das Ergebnis: Rund 40% der sonnenähnlichen Sterne sollten mindestens einen Planeten besitzen, dessen Masse geringer ist als die des Saturn. Die meisten der Exoplaneten mit einer Neptunmasse oder einer noch geringeren Masse sind Teil von Systemen mit mehr als einem Planeten.

Derzeit wird sowohl die Hardware als auch die Software von HARPS weiter verbessert. So sollte sich ein Grad an Genauigkeit und Nachweisempfindlichkeit erreichen lassen, mit dem HARPS auch nach Gesteinsplaneten suchen kann, auf denen die nötigen Bedingungen für die Existenz von Leben gegeben sind. Für eine neue Durchmusterung wurden zehn vergleichsweise nahe Sterne ausgesucht, bei denen sich bei vorangegangenen HARPS-Beobachtungen gezeigt hatte, dass sich an ihnen extrem genaue Radialgeschwindigkeitsmessungen durchführen lassen. Im Laufe von zwei Jahren Arbeit hat das Astronomenteam auf diese Weise fünf Planeten entdecken können, deren Masse weniger als das Fünffache der Erdmasse beträgt.

“Diese Planeten gehören zu den besten Kandidaten für die Beobachtung durch zukünftige Weltraumteleskope, die in den Atmosphären von Exoplaneten nach Anzeichen für Leben suchen werden – etwa nach chemischen Fingerabdrücken, die auf das Vorhandensein von Sauerstoff hinweisen“, erklärt Francesco Pepe vom Schweizer Observatoire de Genève, der Erstautor eines der jüngst erschienenen Fachartikel zu den HARPS-Entdeckungen.

Einer der Planeten, dessen Entdeckung jüngst bekannt gegeben wurde, trägt die Identifikationsnummer HD 85512 b. Die Forscher schätzen, dass dieser Planet nur rund 3,6 mal soviel Masse besitzt wie die Erde [6] und sich am Rand der so genannten habitablen Zone befindet – jener schmalen Region in der Umgebung des Sterns, in dem unter geeigneten Bedingungen Wasser in flüssiger Form existieren kann [7]. 

“Von allen sicher nachgewiesenen Planeten, die mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt wurden und potenziell in der habitablen Zone ihres Muttersterns liegen, ist HD 85512 b derjenige mit der geringsten Masse. Und er ist der zweite Planet mit geringer Masse, den HARPS in der habitablen Zone eines Sterns entdeckt hat“ fügt Lisa Kaltenegger vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Boston, USA hinzu, eine Expertin für die Charakterisierung von Exoplaneten.

Die zunehmende Genauigkeit der neuen HARPS-Durchmusterung erlaubt jetzt sogar den Nachweis von Planeten, die weniger als doppelt soviel Masse besitzen wie die Erde. HARPS ist im jetzigen Zustand so empfindlich, dass das Instrument Veränderungen der Radialgeschwindigkeit um weniger als 4 Kilometer pro Stunde nachweisen kann [8] –  weniger als die normale Schrittgeschwindigkeit eines Menschen.

“Mit dem Nachweis von HD 85512 b ist HARPS noch lange nicht an seine Grenzen gestoßen. Die Entdeckung zeigt, dass wir nun in der Lage sind, Supererden in den habitablen Zonen sonnenähnlicher Sterne nachzuweisen“, fügt Mayor hinzu.

Angesichts dieser Ergebnisse sind die Astronomen zuversichtlich, bald andere kleine, potenziell bewohnbare Gesteinsplaneten sonnenähnlicher Sterne nachweisen zu können. Dabei sollen neue astronomische Instrumente helfen – beispielsweise eine Kopie von HARPS, die am Telescopio Nazionale Galileo auf den Kanaren installiert werden und den nördlichen Sternenhimmel durchmustern soll, und ein neues, noch leistungsfähigeres Instrument namens ESPRESSO, das 2016 am Very Large Telescope der ESO die Arbeit aufnehmen wird [9]. In fernerer Zukunft soll schließlich das CODEX-Instrument am European Extremely Large Telescope (E-ELT) zum Einsatz kommen – mit der gleichen Nachweismethode, aber auf deutlich höherem technischen Niveau.

“In den nächsten zehn bis zwanzig Jahren sollten wir eine Liste potenziell bewohnbarer Planeten in der Nachbarschaft unserer Sonne vorlegen können. Diese Liste ist ein unverzichtbarer Ausgangspunkt für zukünftige Beobachtungen, die nach spektroskopischen Spuren von Leben in den Atmosphären von Exoplaneten suchen“ schließt Michel Mayor, der 1995 den ersten Exoplaneten überhaupt entdeckt hatte, der einen normalen Sterns umkreist.

Endnoten

[1] HARPS misst die Radialgeschwindigkeit eines Sterns – den Geschwindigkeitsanteil des Stern direkt auf uns irdische Beobachter zu oder von uns weg – mit außergewöhnlicher Genauigkeit. Wird der Stern von einem Planeten umkreist, so bewirkt dies, dass er sich regelmäßig ein wenig auf irdische Beobachter zu und von ihnen weg bewegt. Durch den so genannten Dopplereffekt führt diese Änderung der Radialgeschwindigkeit zu einer Verschiebung des Sternspektrums – hin zu längeren Wellenlängen (die sogenannte Rotverschiebung), wenn sich der Stern von uns fort bewegt und hin zu kürzeren Wellenlängen (analog mit Blauverschiebung bezeichnet), wenn er sich auf uns zu bewegt. Diese winzigen Wellenlängenverschiebungen kann HARPS messen und so indirekt die Anwesenheit eines Planeten nachweisen.

[2] Planeten mit einer Masse zwischen einer und zehn Erdmassen werden Supererden genannt. In unserem Sonnensystem gibt es keine solchen Planeten; allgemein scheinen sie dagegen sehr häufig zu sein. Die Entdeckung eines solchen Planeten in der habitablen Zone eines Sterns ist von großem Interesse, da ein solcher Planet – wenn er wie die Erde ein Gesteinsplanet ist und Wasser besitzt – eine Heimstatt für Leben sein könnte.

[3] Bis dato wurden rund 600 Exoplaneten entdeckt. Zusätzlich zu den Exoplaneten, die mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode nachgewiesen wurden, gibt es noch mehr als 1200 Exoplaneten-Kandidaten, die von der Kepler-Mission der NASA mit einer alternativen Technik nachgewiesen wurden: der Transitmethode, bei der winzige Helligkeitsschwankungen der Sternenhelligkeit ausgewertet werden. Zu solchen Helligkeitsschwankungen kommt es bei einem so genannten Transit: wenn ein Planet sich auf seiner Umlaufbahn kurzzeitig vor den Stern schiebt und so einen Teil des Sternenlichts abschattet. Die Mehrzahl der auf diese Weise entdeckten Planeten liegt sehr weit von uns entfernt. Im Gegensatz dazu umkreisen die meisten von HARPS gefundenen Planeten Sterne, die uns für kosmische Verhältnisse sehr nahe sind. Daher sind diese Planeten gute Kandidaten für genauere Nachbeobachtungen.

[4] Die Masse des Neptun beträgt rund 17 Erdmassen.

[5] Dieses umfangreiche Beobachtungsprogramm wird von  Stéphane Udry von der Sternwarte Genf geleitet.

[6] Mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode können Astronomen lediglich ein Minimum für die Masse des Planeten bestimmen. Die tatsächliche Masse hängt von der Neigung der Bahnebene des Planeten relativ zur Verbindungslinie zwischen Beobachter und fernem Planetensystem ab, und diese Größe lässt sich mit der Radialgeschwindigkeitsmethode nicht bestimmen und ist daher in den meisten Fällen unbekannt. Statistisch gesehen liegt die Minimalmasse aber in den meisten Fällen nicht allzu weit von der tatsächlichen Masse des Planeten entfernt.

[7] Bislang hat HARPS zwei Supererden gefunden, die in der habitablen Zone liegen könnten. Die erste, Gliese 581 d, wurde 2007 entdeckt (eso0722). HARPS wurde außerdem vor kurzem eingesetzt, um zu zeigen, dass ein weiterer Kandidat für eine Supererde in der habitablen Zone des Sterns Gliese 581, nämlich der Planet mit der (provisorischen) Bezeichnung Gliese 581 g, gar nicht existiert.

[8] Wenn viele Messungen vorgenommen werden können, dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass HARPS eine Supererde mit 10 Erdmassen und einer Bahnperiode von bis zu einem Jahr nachweisen kann, fast 100%. Für einen Planeten mit 3 Erdmassen und einer Bahnperiode von einem Jahr beträgt die Nachweiswahrscheinlichkeit immerhin noch rund 20%.

[9] ESPRESSO, der „Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations“ (wörtlich etwa „Echelle-Spektrograf für Exo-Gesteinsplaneten und zuverlässige spektroskopische Beobachtungen“) soll am Very Large Telescope der ESO installiert werden. Derzeit befindet sich das Gerät in der Entwurfsphase; erste Beobachtungen soll es 2016 aufnehmen. ESPRESSO soll Radialgeschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von 0,35 km/h messen können. Zum Vergleich: die Erde bewirkt bei der Sonne für einen fernen Beobachter eine Radialgeschwindigkeit von 0,32 km/h. Sein Auflösungsvermögen sollte ESPRESSO daher erlauben, Planeten mit ungefähr der gleichen Masse wie die Erde aufzuspüren, die in der habitablen Zone von Sternen mit vergleichsweise geringer Masse liegen.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 12. September 2011 auf der Konferenz „Extreme Solar Systems“ im Grand Teton National Park im US-Bundesstaat Wyoming vorgestellt.

Eine Zusammenfassung findet sich in dem folgenden in Vorbereitung befindlichen Fachartikel: “The HARPS search for southern extra-solar planets, XXXIV – Occurrence, mass distribution and orbital properties of super-Earths and Neptune-type planets”, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erscheinen soll.  

Die beteiligten Wissenschaftler sind M. Mayor (Observatoire de Genève [OAUG]), M. Marmier (OAUG), C. Lovis (OAUG), S. Udry (OAUG), D. Ségransan (OAUG), F. Pepe (OAUG), W. Benz (Physikalisches Institut Universität Bern), J. L. Bertaux (Service d’Aéronomie, Paris, Frankreich), F. Bouchy (Institut d’Astrophysique de Paris, Université Pierre & Marie Curie, Frankreich und Observatoire de Haute-Provence/CNRS, Frankreich), X. Dumusque (OAUG), G. LoCurto (ESO Deutschland), C. Mordasini (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg), D. Queloz (OAUG) und N. C. Santos (Centro de Astrofísica da Universidade do Porto, Portugal und Departamento de Física de Astronomia, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop der 40-Meter-Klasse für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird, das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Links

• Fachartikel bei Astronomy & Astrophysics:
  • “The HARPS search for Earth-like planets in the habitable zone, I — Very low-mass planets around HD20794, HD85512, HD192310” (Pepe et al., 2011)
  • "The HARPS search for southern extra-solar planets XXXIV. Occurrence, mass distribution and orbital properties of super-Earths and Neptune-mass planets" (Mayor et al., 2011)

• HARPS-Homepage (auf Englisch)
• ESPRESSO-Homepage (auf Englisch)
• Pressemitteilung zu Gliese 581 (auf Englisch)
• Fotos vom La Silla-Observatorium

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