Eine der elementarsten Fragen, die ein Mensch stellen kann, lautet: Sind wir allein im Universum? Das Wissen um die Existenz und die Eigenschaften von Exoplaneten ist unbedingt notwendig, um uns eine Antwort darauf zu geben. Alles, was wir bis heute in Erfahrung gebracht haben, deutet darauf hin, dass es Leben auf Millionen oder Milliarden anderer Planeten allein in unserer Galaxie geben könnte. Es gibt eine schier unglaubliche Anzahl von Exoplaneten, die andere Sterne in deren bewohnbarer Zone umkreisen. Im ganzen Universum herrscht ein Überfluss an Wasser, Sauerstoff, Kohlenstoff und all den anderen grundlegenden Elementen, die Leben, wie wir es kennen, ermöglichen. Das Leben auf der Erde entwickelte sich relativ schnell, nachdem die Entstehung unseres Sonnensystems abgeschlossen war. Unsere gegenwärtigen Instrumente erlauben es uns noch nicht, Leben auf anderen Planeten nachzuweisen, aber es gibt eine ganze Menge sonstiger Informationen, die wir bereits ausfindig machen konnten. Nehmen wir Exoplaneten also näher in Augenschein, um sie besser zu verstehen.
Einleitung
Arten von Exoplaneten
Gesteinsplaneten
Supererden
Wasserplaneten und Wüstenplaneten
Gasriesen
Hot Jupiters
Einzelgängerplaneten
Wie man Exoplaneten findet
Wieviele Exoplaneten haben wir bislang gefunden?
Wieviele Exoplaneten gibt es im gesamten Universum?
Bilder von Exoplaneten
So wie die Planeten unseres Sonnensystems kommen Exoplaneten in verschiedener Größe und unterschiedlichem Aufbau vor, angefangen von kleinen Gesteinsplaneten bis zu Gasriesen. Zusätzlich jedoch werden viele Sterne auch von Planetenarten umkreist, die es in unserem Sonnensystem nicht gibt. Heiße Jupiter, Supererden und Wasserplaneten erweitern das Spektrum an Exoplaneten über die bekannten Gesteinsplaneten und Gasriesen unseres Sonnensystems hinaus.
Gesteinsplaneten (auch erdähnliche Planeten genannt) sind - wie in unserem Sonnensystem - auch in anderen Planetensystemen weit verbreitet. Gesteinsplaneten bestehen hauptsächlich aus schwereren Elementen wie Silizium oder Sauerstoff bzw. aus Metallen. Ihre feste Oberfläche macht sie besonders geeignet, komplexes Leben zu beherbergen. Die meisten dieser Planeten haben einen ähnlichen Aufbau, der Folge einer Differentiation ist: direkt nach seiner Entstehung liegt der Planet in geschmolzenem oder zumindest teilweise geschmolzenen Zustand vor, daher sinkt der Großteil der schweren Elemente (hauptsächlich Metalle) in Richtung Planetenkern und leichtere (wie Silizium und Sauerstoff) schwimmen um den entstandenen metallischen Kern. Nach Millionen Jahren der Abkühlung besteht der Gesteinsplanet dann aus einem Metallkern und einem Mantel sowie einer Kruste aus Silikaten. Der gleiche Differentationsprozess funktioniert sogar bei vielen der kleineren Asteroiden. Sie können den Beweis dafür in eigenen Händen halten, da wir in der glücklichen Lage sind, zur Erde gefallene Eisen- und Gesteinsmeteoriten aufzufinden. Einst waren die Eisenmeteoriten Teil des Kerns und die Gesteinsmeteoriten Teil der Kruste von Asteroiden oder Protoplaneten. Diese entstanden vor 4,5 Milliarden Jahren und wurden später durch eine einzige gewaltige oder viele kleinere Kollisionen zertrümmert. Sie können einige dieser 4,5 Milliarden Jahre alten Zeitzeugen in unserem Meteoritenshop erwerben.
Alle erdähnlichen Planeten sind direkt nach ihrer Entstehung ohne nennenswerte Atmosphäre. Während der Planetenbildung wurden leichte und flüchtige Gase vom Sonnenwind des Heimatsterns fortgeblasen. Dank des Austritts von Gasen aufgrund vulkanischer Aktivität (hauptsächlich Stickstoff und Kohlendioxid) und des Eintrags gefrorener Gase und Wasser durch Kometeneinschläge kann der Planet langsam eine dichte Atmosphäre ausbilden (vorausgesetzt, seine Masse ist groß genug, die Atmosphäre durch Gravitation stark genug an sich zu binden). Ein starkes Magnetfeld hilft ebenfalls, die Atmosphäre zu bewahren, da es den Planeten vor Sonnenwinden schützt, die andernfalls Moleküle aus den obersten Schichten der Planetenatmosphäre herauslösen könnten. Verliert ein Planet sein Magnetfeld, dann kann er auch seine Atmosphäre verlieren, so wie Sie im letzten Abschnitt unseres Artikels über den Mars lesen können.
Supererden sind Planeten, deren Masse zwischen der ein- bis zehnfachen Erdmasse liegt. Der Wortteil "Super" heißt weder super bewohnbar noch sagt es etwas über die Bedingungen auf der Oberfläche des Exoplaneten aus. In diesem Kontext bedeutet es schlicht "größer als unsere Erde". Dennoch könnten Supererden wesentlich tauglicher für Leben sein als unsere Erde - hauptsächlich wegen ihrer vorteilhaften tektonischen Aktivität. Es gibt keine Supererden in unserem eigenen Sonnensystem.
Supererden mit geringer mittlerer Dichte bestehen vorwiegend aus Wasserstoff und Helium; jene mit höherer Dichte sind reich an Wasser (Wasserwelten bzw. Ozeanplaneten) oder an Silikaten (Gesteinsplaneten). Nach Auswertung der Daten von etwa 70 Supererden kam heraus, dass die Dichte mit dem Planetenradius bis zum 1,5-fachen Erdradius wächst; für Planeten mit größerem Radius verringert sich die Dichte dramatisch. Das heißt, Supererden mit bis zu 1,5-fachem Erdradius sind wahrscheinlich Ozean- oder Gesteinsplaneten mit einer dünnen Atmosphäre. Planeten mit noch größerem Radius tendieren dazu, einen Kern aus Gestein und eine dicke und dichte Atmosphäre zu besitzen; sie ähneln eher Gasriesen im Kleinformat.
Ozeanplaneten (oder Wasserwelten) besitzen genug Wasser, so dass die gesamte Oberfläche vollständig von Ozeanen bedeckt ist. Alle Gesteinsplaneten einschließlich der Supererden können potentiell zu Wasserwelten werden, vorausgesetzt, der Planet befindet sich in der bewohnbaren Zone seines Sterns (die Zone mit Oberflächentemperaturen zwischen 0°C und 100°C) und Kometeneinschläge oder vulkanisches Ausgasen liefern genug Wasser. Eisriesen (wie Neptun in unserem Sonnensystem) haben ebenfalls die Möglichkeit, Ozeanplaneten zu werden, sie müssen lediglich von weiter draußen auf einen engeren Orbit in die habitable Zone wandern. Dieses Phänomen wird als planetare Migration bezeichnet und ist in Planetensystemen nichts Ungewöhnliches. Seit der Entstehung unseres eigenen Sonnensystems ist Jupiter auf die Sonne zugewandert, während Uranus und Neptun sich auf weiter entfernte Umlaufbahnen zubewegten. So wird aus jedem Eisriesen, der in die bewohnbare Zone rückt, ein Ozeanplanet, welcher beinahe vollständig von Wasser bedeckt ist. Das Wasser bleibt dabei flüssig bis in eine Tiefe von 60 bis 130 km; in noch größerer Tiefe wird es aufgrund des hohen Drucks fest.
Könnte sich Leben auf einem Planeten entwickeln, der vollständig von Wasser bedeckt ist? Bis jetzt fehlt ein wissenschaftlicher Beweis, aber in Anbetracht der Tatsache, dass sich das Leben auf der Erde vermutlich zuerst in den Ozeanen entwickelte, scheint es absolut plausibel, dass Leben auch auf Ozeanplaneten entstehen kann.
Das andere Extrem stellt ein Wüstenplanet dar - ein Planet ohne jegliches Oberflächenwasser. Derartige Planeten sind ebenfalls ziemlich häufig, der Mars ist ein gutes Beispiel aus unserem Sonnensystem. Auch die Erde wird in etwa einer Milliarde Jahre wegen der langsam zunehmenden Strahlungsintensität der Sonne, die dann alles Wasser verdampfen lässt, zu einem Wüstenplaneten werden.
Alle Planeten, deren Masse zehn Erdmassen übersteigt, werden als Gasriesen bezeichnet. Diese Planeten haben wahrscheinlich einen kleinen, festen Kern, doch Sie bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. In unserem Sonnensystem gibt es vier Gasriesen: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun (obgleich Uranus und Neptun aufgrund ihres hohen Wasser- und Ammoniakgehalts auch zu den Eisriesen gezählt werden könnten). Da gewaltige Gasriesen einfacher aufzuspüren sind als kleinere Gesteinsplaneten, waren die ersten entdeckten Exoplaneten alle Gasriesen.
Einzelgänger-Planeten (auch vagabundierende Planeten oder Waisen-Planeten genannt) sind Planeten ohne einen Zentralstern, sie treiben ungebunden durch unsere Galaxie. Da sich kein Stern in ihrer Nähe befindet, sind sie dunkel und sehr schwer aufzuspüren. Es wird angenommen, dass die Zahl vagabundierender Planeten in unserer Galaxie die Zahl der Sterne darin übertrifft. Somit bewegen sich momentan wenigstens 200 bis 400 Milliarden Einzelgänger-Planeten frei durch die Milchstraße. Vagabundierende Planeten kommen, angefangen bei kleinen Gesteinsplaneten bis zu gewaltigen Gasriesen, in allen Größen vor. Da sie jedoch schwierig nachzuweisen sind, sind alle bislang entdeckten Kandidaten für Einzelgänger-Planeten (wie beispielsweise CFBDSIR 2149-0403) gewaltige Gasriesen. Sie lassen sich direkt abbilden, besonders im Infrarotbereich, oder man kann sie mit Hilfe des Mikrolinseneffekts wahrnehmen. Der Mikrolinseneffekt bewirkt, dass ein Hintergrundstern ein klein wenig heller erscheint, wenn ein massereiches Objekt vor ihm vorüberzieht.
Warum gibt es so viele Planeten ohne Heimatstern? Es gibt zwei hauptsächliche Gründe, warum ein Planet zu einem Waisen-Planet werden kann.
Aktuelle theoretische Berechnungen zeigen, dass die überwiegende Mehrheit der Einzelgänger-Planeten verhinderte Sterne sind. Auf jeden Stern, der entsteht, könnte eine Vielzahl derartiger Einzelgänger-Planeten entfallen, was für uns möglicherweise heißt, dass die Zahl vagabundierender Planeten allein in unserer Galaxis die oben genannte Abschätzung von 200 - 400 Milliarden bei weitem übertrifft. Sehr interessant ist auch, das Schicksal der Erde nachzuvollziehen, sollte unser Planet plötzlich zu einem Einzelgänger-Planeten werden. Versäumen Sie daher nicht unseren Artikel über die Erde als vagabundierenden Planeten.
Exoplaneten, die andere Sterne umkreisen, sind zu weit von der Erde entfernt, als dass sie mit den derzeit verfügbaren Teleskopen abgebildet werden könnten. Es gibt einige wenige Ausnahmen in Form riesiger Planeten, die ihren Heimatstern in großem Abstand umkreisen. Ein paar momentan im Bau befindliche Teleskope der Zukunft werden weitaus Besseres zustande bringen, doch direkte Bilder von Exoplaneten sind derzeit die Ausnahme und wir werden auch mit besseren Teleskopen lediglich in der Lage sein, Lichtpunkte zu sehen. Oberflächendetails von Exoplaneten bleiben also eine Wunschvorstellung von Astronomen.
Doch nun zu den guten Neuigkeiten: wir besitzen bereits heute Möglichkeiten, diese Planeten zu entdecken und in einigen Fällen können wir sogar die Zusammensetzung von deren Atmosphäre analysieren. Sehen wir uns also die zwei bevorzugten Methoden zum Aufspüren von Exoplaneten an.
Um genau zu sein, kreist ein Planet nicht um seinen Stern (wie wir gewöhnlich zu sagen pflegen).
In Wirklichkeit kreisen beide, Stern und Planet, um ihr gemeinsames Baryzentrum (= Schwerpunkt). Da der Stern wesentlich mehr Masse besitzt als der Planet, liegt dieser Schwerpunkt sehr nahe beim oder sogar innerhalb des Sterns - er ist aber nie identisch mit dem Zentrum des Sterns. Das heißt, ein Stern mit Planeten um sich herum verharrt niemals völlig bewegungslos, er umkreist den gemeinsamen Schwerpunkt des gesamten Sternsystems. Dieses Wackeln des Sterns kann von der Erde aus mit dem Doppler-Effekt nachgewiesen werden.
Sie alle kennen den Doppler-Effekt, denn er bewirkt, dass der Ton einer sich nähernden Schallquelle, wie eines Autos oder Zugs, höher klingt (die Frequenz des Schalls ist höher) und der einer sich entfernenden tiefer erscheint (niedrigere Schallfrequenz). Dieser Effekt funktioniert nicht nur bei Schallwellen sondern auch bei elektromagnetischer Strahlung (= Licht). Während der Umrundung des Schwerpunkts bewegt sich der Stern auf uns zu und von uns weg. Von der Erde aus ist dann eine leichte periodische Schwankung der Frequenz von dessen emittierten Licht zu sehen. Das Ausmaß und die Frequenz der Schwankung deuten auf die Existenz und sogar auf die Mindestmasse der Planeten hin, die den Stern umkreisen.
Es gibt nur eine Ausnahme, nämlich wenn wir das Sternsystem senkrecht zu seiner Planetenebene betrachten. In diesem Fall wackelt der Stern während seines Umlaufs nach rechts und links, auf und ab, aber nicht in unsere Richtung und von uns weg - daher kann hier kein Doppler-Effekt gemessen werden. So lange wir also nicht den Winkel kennen, unter dem wir ein Sternsystem beobachten, ist es uns auch nicht möglich, die Masse eines Planeten mit Hilfe des Doppler-Effekts exakt zu bestimmen. Wir können lediglich seine Mindestmasse schätzen.
Mit der Transitmethode misst man den leichten Helligkeitsverlust, wenn ein Planet (von der Erde aus gesehen) vor seinem Stern vorüberzieht.
Mit dieser Methode können wir nur einen geringen Teil der existierenden Exoplaneten finden, da hierfür die Erde, der Exoplanet und sein Zentralstern exakt in einer Ebene angeordnet sein müssten. Die Chance, die Erde mittels Transitmethode von einem beliebigen Ort außerhalb des Sonnensystems zu entdecken, beträgt zum Beispiel gerade einmal 0,3%; die Chance auf eine Entdeckung des Mars beträgt nur 0,18%. Nichtsdestotrotz hat das Weltraumteleskop Kepler über einen Zeitraum von mehreren Jahren kontinuierlich den Helligkeitsverlauf von 145 000 Hauptreihen-Sternen vermessen und so mit Hilfe der Transitmethode Tausende von Exoplaneten gefunden.
Mit Hilfe der Transitmethode können wir aber nicht nur einen oder mehrere Planeten in einem Sternsystem entdecken, sondern weitere wertvolle Informationen gewinnen:
Bis Anfang des Jahres 2020 wurden 4173 Exoplaneten in 3096 Planetensystemen entdeckt. Die Anzahl möglicher Kandidaten (noch nicht als Exoplaneten bestätigt) übertrifft 4300. Diese Zahlen wachsen beständig, da mehr und mehr Exoplaneten entdeckt werden. Alle offiziell bestätigen Exoplaneten sind in der Extrasolar Planets Encyclopaedia (= Enzyklopädie der extrasolaren Planeten) aufgelistet.
Kurz gesagt, das weiß niemand. Wenn man liest, dass es allein in unserer Galaxie mindestens 200 Milliarden Planeten gibt, so ist dies nicht die genaueste Schätzung, sondern es handelt sich lediglich um die unterste Grenze. Man kann aber versuchen, die Zahlen zu schätzen, indem die Daten des Kepler-Weltraumteleskops mit der Wahrscheinlichkeit verknüpft werden, einen Planeten von einem beliebigen Ort aus zu finden (erinnern Sie sich: die Chance, die Erde von einer beliebigen Position außerhalb des Sonnensystems mittels Transitmethode zu entdecken, beträgt 0,3%). Wenn man also gestützt auf Wahrscheinlichkeitsrechnung eine Abschätzung vornimmt, so liegt die Gesamtzahl der Planeten eher bei 10 Billionen allein in unserer Milchstraße! Falls wir diese Betrachtung auf das beobachtbare Universum übertragen, landen wir bei 1024 Planeten, oder, wenn Sie es lieber ausschreiben wollen:
1 000 000 000 000 000 000 000 000 Planeten
Das sind eine Quadrillion Planeten. Und wieder zeigt das Universum seine majestätische Größe! Falls Sie Interesse haben, zeigt Ihnen dieser Artikel von Ethan Siegel aus dem Jahr 2013 (in Englisch) die Abschätzung weiter aufgeschlüsselt.
Sehen wir uns ein paar der bislang entdeckten Exoplaneten an und wie sie möglicherweise aussehen. Unsere Sonderabteilung über Exoplaneten präsentiert Ihnen einige der schönsten künstlerisch gestalteten Darstellungen.