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Wie Exoplaneten entdeckt werden können

Das bunte Spektrum des Lichts trifft auf einen Frequenzkamm, der durch ein gelbes Band mit weißen Linien dargestellt ist.

Frequenzkämme

Um hochfrequente Schwingungen zu messen, nutzen Forscher ein ganz spezielles Lineal – den sogenannten Frequenzkamm, für den es 2005 den Nobelpreis für Physik gab. Inzwischen kommt das Laserlineal in vielen Gebieten zum Einsatz.

Sichtbares Licht besitzt Frequenzen im Bereich von Hunderten von Terahertz. Diese Frequenzen lassen sich elektronisch nicht direkt messen oder zählen. Man muss also ein Hilfsmittel erfinden, das diese Frequenzen der elektronischen Messtechnik zugänglich macht. Dieses Hilfsmittel ist der Frequenzkamm, eine besondere Art von Laser. Ein handelsüblicher roter Laser sendet eben nur rotes Licht aus – der Laser des Frequenzkamms hingegen strahlt weiß, ähnlich wie Sonnenlicht. Zerlegt man das weiße Sonnenlicht mit einem Prisma in seine Einzelteile, wird man alle Farben des Regenbogens beobachten. Dies ist das Spektrum des Sonnenlichts. Auch der Frequenzkamm deckt den gesamten Wellenbereich des sichtbaren Lichts ab, allerdings ist sein Spektrum nicht kontinuierlich. Er sendet nur bestimmte Frequenzen aus.

Tobias Wilken: „Das Fantastische am Frequenzkamm ist, dass der Abstand zwischen jeder einzelnen dieser Frequenzen exakt gleich ist, wobei der Abstand im Radiofrequenzbereich liegt. Das heißt, auch wenn jede Frequenz, die dieser Laser emittiert, im optischen Bereich liegt, also bei Hunderten von Terahertz, so liegt der Abstand zwischen den Frequenzen im Radiofrequenzbereich, also bei unter einem Gigahertz.“

Mit dem Frequenzkamm lassen sich optische Frequenzen deshalb mit äußerster Präzision vermessen, weshalb man ihn auch als Laserlineal für Licht bezeichnet. Zum Einsatz kommt dieses Lineal zum Beispiel bei Lasern, die kontinuierlich Licht abstrahlen – sogenannte Continuous-Wave- oder kurz CW-Laser. Wie Exoplaneten entdeckt werden können weiterlesen

Uratmosphäre auf Super-Erde entdeckt

Die Super-Erde GJ 1214b (vorne links) zieht vor ihrem Zentralstern vorbei. Foto: Paul A. Kempton

(pug) Ein internationales Team von Wissenschaftlern der Universität Göttingen, des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und der University of California in Santa Cruz hat erstmals bei einer sogenannten Super-Erde die Struktur ihrer Atmosphäre untersuchen können. Die Forscher beobachteten den erst vor knapp einem Jahr entdeckten Planeten GJ 1214b, der außerhalb unseres Sonnensystems liegt und nur wenig größer als unsere Erde ist. „Dies ist die erste Super-Erde, bei der eine Atmosphäre nachgewiesen und untersucht wurde. Wir haben einen echten Meilenstein auf dem Weg zu einer Charakterisierung dieser Welten erreicht“, so der Leiter der Studie Dr. Jacob Bean.

Als Super-Erde bezeichnen Astronomen Planeten, die bis zu dreimal so groß wie die Erde sind und die ein- bis zehnfache Masse haben können. Man nimmt an, dass Super-Erden ein überwiegend festes Inneres haben und womöglich aus einem Gemisch aus Fels und Eis bestehen. Bislang sind erst sehr wenige von ihnen bekannt, besonders im Vergleich zu den sogenannten Gasriesen, die mittlerweile zu hunderten in Umlaufbahnen um ferne Sterne entdeckt worden sind. GJ 1214b ist 2,7-mal so groß und 6,5-mal so massereich wie unsere Erde.

Um seine Atmosphäre nachzuweisen, beobachteten die Astronomen den Planeten, während er vor seinem Zentralstern vorbeizog. Dabei leuchtet das Licht des Sterns aus unserer Perspektive den Planeten „von hinten“ an, wodurch die Atmosphäre, die den Planeten umgibt, sichtbar wird. Das Licht scheint durch die Atmosphäre des Planeten hindurch, die gasförmigen Bestandteile der Atmosphäre absorbieren das Licht bei charakteristischen Wellenlängen und das so beobachtbare Spektrum kann als „chemischer Fingerabdruck“ interpretiert werden. Mit vergleichbaren Beobachtungen konnten zuvor schon Gase wie Wasserstoff, Methan und Natriumdampf in den Atmosphären ferner „heißer Jupiter“ nachgewiesen werden.

Die genaue chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist bislang noch unklar. Die deutschen und amerikanischen Wissenschaftler beobachteten die Super-Erde mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile im nahinfraroten Spektralbereich. Ob die Atmosphäre des Planeten eher dampf- oder eher gasreich ist, könnten weitere Beobachtungen im langwelligen Infrarotbereich klären. Die neuen Beobachtungen schließen allerdings aus, dass der Planet von einer wolkenlosen wasserstoffreichen Atmosphäre umgeben ist. Bestünde die Atmosphäre von GJ 1214b überwiegend aus Wasserstoff, müsste sie wie auf der Venus von einer dichten Wolkendecke oder wie auf dem Saturnmond Titan von einem hochgelegenen Schleier von Aerosolen verhüllt sein.

Die Daten ließen sich aber auch durch eine weit dichtere Gashülle mit einem hohen Anteil schwerer Gase erklären. „Mit den aktuellen Beobachtungen können wir noch nicht sicher entscheiden, von welcher genauen Beschaffenheit diese Atmosphäre ist. Aber sie zeigen sicher, dass sie sich von allen bisher beobachteten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems unterscheidet“, erläutert Dr. Derek Homeier von der Universität Göttingen. „Sie könnte der Uratmosphäre unserer Erde weit ähnlicher sein, oder auch auf eine wasserreiche Welt mit einer Hülle aus Wasserdampf hinweisen.“ Und Dr. Bean ergänzt: „Eine solche Atmosphäre müsste zu mindestens einem Fünftel aus Wasserdampf bestehen. Damit würde sie sich sehr von unserer Erdatmosphäre unterscheiden, die aus vier Fünfteln Stickstoff und einem Fünftel Sauerstoff besteht, mit nur kleinen Spuren von Wasserdampf. Etwas Vergleichbares existiert in unserem Sonnensystem nicht.“ (Quelle: idw, Foto: Die Super-Erde GJ 1214b (vorne links) zieht vor ihrem Zentralstern vorbei – Paul A. Kempton). Originalveröffentlichung: Jacob Bean et al. A ground-based transmission spectrum of the super-Earth exoplanet GJ 1214b. Nature. DOI: 10-1038/nature09596