Supererde umkreist Barnards Stern

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Künstlerische Darstellung der Oberfläche einer Supererde, die Barnards Stern umkreist
Barnards Stern im Sternbild Ophiuchus

Der der Sonne nächstgelegene Einzelstern beherbergt einen Exoplaneten, der mindestens 3,2 mal so massereich ist wie die Erde – eine sogenannte Super-Erde. Eines der bisher größten Beobachtungsprogramme mit Daten aus einer weltumspannenden Reihe von Teleskopen, darunter der ESO-Planetenjäger HARPS, hat diese frostige, schwach beleuchtete Welt offenbart. Der neu entdeckte Planet ist der zweitnähste bekannte Exoplanet der Erde. Barnards Stern ist der sich am schnellsten bewegende Stern am Nachthimmel.

Astronomen haben einen Planeten entdeckt, der Barnards Stern umkreist, der nur 6 Lichtjahre entfernt ist. Dieser Durchbruch – angekündigt in einem heute in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel – ist das Ergebnis der Projekte Red Dots und CARMENES, deren Suche nach lokalen Gesteinsplaneten bereits eine neue Welt entdeckt hat, die unseren nächsten Nachbarn, Proxima Centauri, umkreist.

Der Planet, der als Barnard's Star b bezeichnet wird, betritt nun als der Erde zweitnächster bekannter Exoplanet die Bühne [1]. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass der Planet eine Supererde sein könnte, die mindestens die 3,2-fache Masse der Erde aufweist und ihren Mutterstern in etwa 233 Tagen umkreist. Barnards Stern, der Wirtstern des Planeten, ist ein Roter Zwerg, ein kühler, massearmer Stern, der diese neu entdeckte Welt nur schwach beleuchtet. Licht von Barnards Stern versorgt seinen Planeten mit nur 2% der Energie, die die Erde von der Sonne erhält.

Obwohl sich der Exoplanet relativ nah an seinem Zentralstern befindet – in nur 0,4-facher Entfernung von Erde und Sonne – liegt er nahe an der Schneelinie, der Region, in der flüchtige Verbindungen wie Wasser zu festem Eis kondensieren können. Diese eisige, schattige Welt könnte eine Temperatur von -170°C haben, was sie für das Leben, wie wir es kennen, unwirtlich macht.

Benannt nach dem Astronomen E. E. Barnard, ist Barnards Stern der der Sonne am nächsten gelegene Einzelstern. Der Stern selbst ist zwar uralt – wahrscheinlich doppelt so alt wie unsere Sonne – und relativ inaktiv, hat aber auch die schnellste scheinbare Bewegung aller Sterne am Nachthimmel [2]. Supererden sind die häufigste Art von Planeten, die sich um massearme Sterne wie Barnards Stern bilden, was diesem neu entdeckten Planetenkandidaten Glaubwürdigkeit verleiht. Darüber hinaus sagen aktuelle Theorien zur Planetenbildung voraus, dass die Schneelinie der ideale Ort für die Bildung solcher Planeten ist.

Frühere Suchaktionen nach einem Planeten um Barnards Stern herum erbrachten enttäuschende Ergebnisse – dieser jüngste Durchbruch war nur durch die Kombination von Messungen mit mehreren hochpräzisen Instrumenten möglich, die auf Teleskopen auf der ganzen Welt montiert sind [3].

„Nach einer sehr sorgfältigen Analyse sind wir zu 99% zuversichtlich, dass der Planet da ist“, sagte der leitende Wissenschaftler der Forschergruppe, Ignasi Ribas (Institute of Space Studies of Catalonia and the Institute of Space Sciences, CSIC in Spanien). „Wir werden diesen sich schnell bewegenden Stern jedoch weiterhin beobachten, um mögliche, aber unwahrscheinliche natürliche Variationen der stellaren Helligkeit auszuschließen, die als das Signal eines Planeten fehlgedeutet werden könnten.“

Zu den verwendeten Instrumenten gehörten die berühmten Spektrographen und ESO-Planetenjäger HARPS und UVES. „HARPS hat bei diesem Projekt eine wichtige Rolle gespielt. Wir haben Archivdaten anderer Gruppen mit neuen, sich zeitlich überlappenden Messungen von Barnards Stern aus verschiedenen Quellen kombiniert“, kommentierte Guillem Anglada Escudé (Queen Mary University of London), Mitverantwortlicher des Teams, das dieses Ergebnis erzielte [4]. „Die Kombination der Instrumente war der Schlüssel zur Überprüfung unseres Ergebnisses.“

„Bis in die Achtziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts war in beinahe allen professionellen und populären Astronomiebüchern zu lesen, dass zwei Jupiter-artige Planeten bei Barnards Stern gefunden worden seien“, schildert Martin Kürster (Max-Planck-Institut für Astronomie, MPIA), der an der Entschlüsselung des Planeten mitwirkte. „Dies stellte sich durch neuere Messungen, an denen ich zum Teil beteiligt war, als Irrtum heraus. Deswegen ist es jetzt um so faszinierender, dass wir mittlerweile auch dank CARMENES [5] in der Lage sind, diesen wesentlich masseärmeren Planeten nachzuweisen.“

Die Astronomen nutzten den Doppler-Effekt, um den Exoplaneten-Kandidaten zu finden. Während der Planet den Stern umkreist, lässt seine Anziehungskraft den Stern wackeln. Wenn sich der Stern von der Erde entfernt, verschiebt sich sein Spektrum in den roten Bereich, d.h. es verschiebt sich zu höheren Wellenlängen. Ebenso wird das Sternenlicht in Richtung kürzerer, blauerer Wellenlängen verschoben, wenn sich der Stern auf die Erde zubewegt.

Astronomen nutzen diesen Effekt, um die Geschwindigkeitsänderungen eines Sterns, hervorgerufen durch einen umlaufenden Exoplaneten, zu messen – mit erstaunlicher Genauigkeit. HARPS kann Veränderungen der Sterngeschwindigkeit von nur 3,5 km/h erkennen. Das entspricht der Schrittgeschwindigkeit. Dieser Ansatz zur Exoplanetenjagd ist als Radialgeschwindigkeitsmethode bekannt und wurde bislang nicht verwendet, um eine ähnliche Supererde mit solch einem weiten Orbit um ihren Stern zu registrieren.

„Wir haben Beobachtungen von sieben verschiedenen Instrumenten aus 20 Jahren Messzeit verwendet, was diesen zu einem der größten und umfangreichsten Datensätze macht, die jemals für präzise Radialgeschwindigkeitsstudien verwendet wurden“, erklärte Ribas. „Die Kombination aller Daten führte zu insgesamt 771 Messungen - eine riesige Menge an Informationen!“

„Wir haben alle sehr hart an diesem Durchbruch gearbeitet“, schloss Anglada-Escudé. „Diese Entdeckung ist das Ergebnis einer großen Zusammenarbeit im Rahmen des Red Dots-Projekts, zu der auch Beiträge von Experten aus der ganzen Welt beigetragen haben. Nachbeobachtungen sind bereits an verschiedenen Observatorien weltweit im Gange.“

Endnoten

[1] Die einzigen Sterne, die der Sonne näher sind, bilden das Dreifach-Sternsystem Alpha Centauri. Unter Verwendung von ESO-Teleskopen und anderen Einrichtungen fanden Astronomen 2016 klare Hinweise darauf, dass ein Planet den der Erde am nächsten liegenden Stern in diesem System, Proxima Centauri, umkreist. Dieser Planet liegt etwas mehr als 4 Lichtjahre von der Erde entfernt und wurde von einem Team unter der Leitung von Guillem Anglada Escudé entdeckt.

[2] Die Gesamtgeschwindigkeit von Barnards Stern in Bezug auf die Sonne beträgt etwa 500 000 km/h. Trotz dieses rasanten Tempos ist er nicht der schnellste bekannte Stern. Was die Bewegung des Sterns bemerkenswert macht, ist seine Geschwindigkeit, mit der er sich von der Erde aus gesehen über den Nachthimmel zu bewegen scheint, die so genannte Eigenbewegung. Barnards Stern legt alle 180 Jahre am Himmel eine Strecke zurück, die dem Durchmesser des Mondes entspricht. Das mag zwar nicht viel erscheinen, aber es ist bei weitem die schnellste scheinbare Bewegung eines Sterns.

[3] Die für diese Forschung verwendeten Instrumente waren: HARPS am 3,6-Meter-Teleskop der ESO; UVES am VLT der ESO; HARPS-N am Telescopio Nazionale Galileo; HIRES am 10-Meter-Teleskop Keck; PFS am Carnegie 6,5-Meter-Teleskop Magellan; APF am 2,4-Meter-Teleskop am Lick Observatorium; und CARMENES am 3,5-Meter-Teleskop des Calar Alto Observatoriums. Zusätzlich wurden Beobachtungen mit dem 90-cm-Teleskop am Sierra Nevada Observatorium, dem 40-cm-Roboterteleskop am SPACEOBS Observatorium und dem 80-cm-Joan-Oró-Teleskop am Montsec Astronomical Observatory (OAdM) durchgeführt.

[4] Die Geschichte hinter dieser Entdeckung wird im ESOBlog dieser Woche näher erläutert.

[5] Der Spektrograf CARMENES wurde maßgeblich vom MPIA mit entwickelt.

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