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16.04.08 · 18:55 Uhr

Reise zum Planeten HD 189733b

Kategorie: Naturwissenschaften·Technik  ·  Kommentare: 2

Ok, wer hat Lust sich mal einen extrasolaren Planeten aus der Nähe anzusehen? Na dann! Bitte hier entlang...

Meine Damen und Herren, bitte anschnallen! Unsere Reiseziel ist HD 189733b (1), 19,3 Parsec entfernt.

Aber bevor es losgeht, machen wir einen kurzen Abstecher in unseren kosmischen Vorgarten. Schließlich begeben wir uns nicht alle Tage auf eine Reise zu den Sternen. Da sollten wir uns entsprechend vorbereiten:

Bild: Mike Salway

Wir beginnen unsere Reise, Sie haben es unschwer erkannt, am Jupiter.

Vorsicht! Nicht zu weit herauslehnen! Sollten Sie auf den Planeten fallen, dann würden Sie selbst mit dem besten Raumanzug der Welt, da Jupiter nicht wie die Erde über einen festen klar abgegrenzten Erdboden verfügt, unweigerlich tiefer und immer tiefer sinken, bis sie ziemlich schnell vom umgebenden Druck wie eine leere Coladose zerquetscht werden. Also bleiben Sie besser drin!

Wo war ich? Ach ja, Jupiter ist ein so genannter Gasriese, was bereits zwei wichtige Eigenschaften beschreibt:
1.Er ist riesig. Jupiter ist nach der Sonne das zweitgrößte Objekt in unserem Sonnensystem und vereinigt 2,5mal soviel Masse in sich wie alle anderen Planeten in unserem Sonnensystem insgesamt auf die Waage bringen.
2. Er besteht vor allem aus Gas und hier zu 90% aus Wasserstoff und zu 10% aus Helium - allerdings sehr, sehr dicht gepacktem Gas. Ich sagte es bereits: Mensch+Jupiter =Menschenmatsch. Außer den bereits genannten Gasen wurden außerdem Wasser und Methan nachgewiesen. Natürlich ist der Anteil dieser Stoffe vergleichsweise gering, dennoch ist er nicht vernachlässigbar und wird später bei HD 189733b eine große Rolle spielen.

Trotz seiner eindrucksvollen Größe, dass Jupiter eine fehlgeschlagene Sonne ist, das ist ein Mythos. Es stimmt zwar, dass seine Zusammensetzung grundsätzlich der der Sonne sehr ähnlich ist, aber um ein echter Stern zu werden, fehlt ihm noch einiges an Masse. Alleine um das Übergangsstadium zwischen Sternen und Planeten zu erreichen, um ein Brauner Zwerg zu werden, bräuchten wir zusätzlich noch insgesamt 12mal die Masse des Jupiters. Dann erst würde die erste Vorstufe einer stellaren Kernfusion zünden - das Deuterium-Brennen. Erst mit insgesamt 80 Jupitermassen würde die "echte" stellare Kernfusion von Wasserstoff einsetzen.

Woher wir das wissen? Nun ja, hier bei uns sind die Sonne und der Jupiter einzigartig und eindrucksvoll. Aber da draußen gibt es noch viel, viel mehr davon. Sterne wie unsere Sonne, kleinere Sterne, riesigere Sterne, Sterne, die Zwillinge unserer Sonne sein könnten, aber sehr viel älter oder jünger sind. Ein ganzes Universum voller Sterne, die ständig von uns untersucht werden. Mit neuester Technik, jede Menge Vorstellungskraft und basierend auf in Jahrhunderten angesammeltem Wissen.

Also, keine Sorge! Jupiter, so gewaltig er uns erscheinen mag, ist weit davon entfernt, ein Stern zu werden. Weder jetzt noch in Zukunft.

Wie Sie sehen, wissen wir bereits einiges über Jupiter (2). Kein Wunder, wir sind die letzten Jahrzehnte nicht untätig geblieben. Wir haben unsere Boten ausgeschickt, um den Planeten zu erkunden. Insbesondere die Raumsonde Galileo war da ganz besonders aufschlussreich. Außerdem ist Jupiter mit leistungsstarken Teleskopen auch von der Erde aus ziemlich gut sichtbar, so dass wir vom kosmischen Standpunkt aus noch nicht mal vor die Haustür gehen müssen, um das Werden und Vergehen der berühmten Jupiterstürme zu betrachten.

Aber ich denke, wir haben hier alles abgehakt. Soviel Zeit haben wir auch nicht. Bitte einsteigen! Wir müssen weiter zu unserer nächsten Station.

Wie bitte? Wir fliegen in die falsche Richtung? Nein, nein, es mag Ihnen was komisch vorkommen, dass wir geradewegs Richtung Sonne fliegen, aber Sie werden sehen, das hat seinen Grund.

So, wir sind da:

Bild: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Sieht fast aus wie der Mond? Na ja, auf den ersten Blick vielleicht. Aber Sie werden vielleicht bemerkt haben, dass die Sonne sehr groß am Himmel erscheint. Das liegt daran, dass wir gerade mal 0,387 Astronomische Einheiten davon entfernt sind. Das ist etwas mehr als ein Drittel die Entfernung zwischen Sonne und Erde.

Wir befinden uns über dem sonnennächsten Planeten Merkur.

Passenderweise blicken wir auf die Beagle-Klippen hinab, die erst vor kurzem von der Raumsonde Messenger entdeckt wurden. Traditionell werden solche Strukturen auf dem Merkur nach den Schiffen großer Entdecker genannt und wir befinden uns ja auch irgendwie auf einer großen Entdeckungsreise, auch wenn wir eigentlich nur den Fußstapfen großer Entdecker folgen.

Heiß hier, nicht? Ca. 400 Grad Celsius werden es gut und gerne sein. Da ist es jetzt auch egal, dass Sie die Sonnencreme zu Hause vergessen haben. Na? Spätestens jetzt sind Sie sicherlich froh, dass Sie nicht mit Ihrem Körper auf die Reise gehen, sondern nur mit Ihrem Geist.

Nehmen Sie jetzt bitte gedanklich den Jupiter und versetzen Sie Ihn an die Position des Merkur! Kann man sich nicht wirklich vorstellen, oder? Aber Sie werden gleich sehen, warum ich diese Frage gestellt habe.

Wir verlassen das Sonnensystem, nächster Stopp: eine Umlaufbahn um den Stern HD 189733 in etwa 0,387 Astronomische Einheiten (oder kurz AE) Entfernung.

Wir kommen unserem Reiseziel immer näher. Der Stern HD 189733 ist etwa19,3 Parsec von der Erde entfernt. Kosmisch gesehen ist das ein Katzensprung. Die Sternbilder sehen hier fast genauso aus, wie bei uns zu Hause. Man könnte sich direkt heimisch fühlen. Nur die Sonne, die ist doch deutlich orangefarbener und nicht ganz so hell. Kein Wunder, ist ja auch Spektralklasse K, d.h. kleiner als unsere eigene Sonne und 1000 Grad kühler.

So, und wo ist jetzt dieser Planet?

Ihr seht nichts? Na, ist ja auch kein Wunder! Erstens blendet der Stern viel zu sehr und zweitens, wir sind 0,387 AE vom Stern entfernt. Der Abstand zwischen dem Planeten und dem Stern beträgt aber weniger als ein Zehntel der Strecke zwischen Sonne und Merkur. Sie dachten vorhin beim Merkur war es heiß? Ha, das ist noch gar nichts. Auf in Richtung Zentralgestirn!

Jetzt, sind wir angekommen. Alles aussteigen bitte! Willkommen auf HD 189733b in 0,0312 AE Entfernung zum Heimatgestirn.

Und was sehen wir? Na ja, wir sehen (leider) immer noch gar nichts. Mit "sehen" ist hier nicht mehr viel. Da wir mit unseren Sonden auch nie auch nur in die Nähe dieses Systems kommen werden, müssen wir andere, indirekte Methoden bemühen, um den Planeten "sichtbar" zu machen und ihn genauer zu untersuchen. Bei diesem System haben wir noch Glück. Wir können ab und an sehen, dass der Stern in regelmäßigen Abständen ein wenig dunkler wird, weil der Planet ihn zwischendurch verdeckt. Aus dem Schatten kriegen wir direkt die Größe des Planeten raus. Zudem bewegen sich der Planet und der Stern wie zwei Tänzer, die sich mittels der Schwerkraft umarmen, um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Auch wenn ein Tanzpartner unsichtbar ist, aufgrund der Tanzbewegung des sichtbaren Sterns können wir schließen, dass ein Planet da ist und zudem wie schwer und wie weit entfernt er ist.

Siehe da, meine Damen und Herren! Es "sieht" frappierend aus wie unser Jupiter. Etwa 15% größer und schwerer, aber im Großen und Ganzen passt alles. Wir haben also einen Gasriesen im Schwitzkasten eines sonnenähnlichen Sterns vor uns und wenn wir das Ganze im Infrarot betrachten, dann bekommen wir dieses Bild:

Bild: NASA/JPL-Caltech/H. Knutson (Harvard-Smithsonian CfA)

Wir "sehen" das Wärmebild eines jupiterähnlichen Planeten vor uns, dem sein Zentralstern stark eingeheizt hat. Die Temperatur in der Atmosphäre schwankt zwischen 650-930 Grad Celsius (3). Dagegen sind die 400 Grad auf Merkur fast gemütlich.

Aber damit nicht genug, meine Damen und Herren. Wie wäre es, wenn wir ein bisschen in seine Atmosphäre eintauchen und mal nachschauen, was da sonst noch drin steckt?

Aber halt! Hatte ich Sie nicht vorhin gebeten, mal unseren Jupiter zu nehmen und gedanklich an die Position des Merkur zu setzen? Sie erinnern sich? Was passiert erst, wenn wir den Jupiter an die Stelle von HD 189733b setzen?

Genau das haben die amerikanischen Wissenschaftler Marc Swain und seine Kollegen getan (4). Demnach sollten in der äußeren Gashülle folgende Moleküle im nahen Infrarot (im Bereich zwischen 1,5-2,5 Mikrometer) nachgewiesen werden: Wasser, Kohlenmonoxid und Methan, wobei Methan bei Temperaturen unter 800 Kelvin dominieren sollte und Kohlenmonoxid bei Temperaturen über 800 K.

Wie heiß ist HD 189733b laut Wärmebild? Eine schnelle Umrechnung von Celsius auf Kelvin (+273,5 Grad) ergibt: 920 - 1200 Kelvin. Aha! Wir erwarten also vorwiegend Kohlenmonoxid.

Dann lassen Sie uns doch mal Marc Swain und seinen Kollegen über die Schulter schauen und nachsehen, was die in HD 189733b mit der NICMOS Infrarot-Kamera auf dem Hubble-Weltraum-Teleskop (5) tatsächlich gefunden haben (6). Stellen wir uns spaßeshalber mal vor, wir würden eine Hubble-Kamera als "Nase" verwenden und versuchen die Ergebnisse von Swain und Kollegen nachzuvollziehen...

Also, was haben wir da? Oh ja. Da ist ein ganz starker Geruch...Irgendwie feucht. Hmm, was könnte das sein?... Hah, Wasser! Wir haben Spuren von Wasser gefunden. Na, das ist schon mal prima! Damit wurde die Entdeckung von den Forschern um Tinneti und co (7) bestätigt, die hier ebenfalls letztes Jahr Wasser gefunden haben wollen. Außerdem "brauchen" wir Wasser in den Gasplaneten-Modellen, weil das ein wichtiger Bestandteil der "Klimaanlage" ist. Jupiter verfügt schließlich auch über Wasser. Es wäre also eher eine Überraschung, wenn wir kein Wasser finden würden.

Aber da ist noch mehr. Lassen Sie uns weiter riechen! Schnupper, schnupper...Hmm, komisch! Hat hier jemand einen fahren lassen? Nein? Aber, ich rieche eindeutig... Methan!

Ok, Methan ist auch gut. Haben wir auch erwartet. Aber langsam sollte doch mal das Kohlenmonoxid auftauchen. Es ist schließlich sehr heiß hier, also wo ist es?

Noch mal, lassen Sie uns mal ganz genau schnuppern. Da muss doch irgendwo noch...Schnupper, Schnupper...Also nein, beim besten Willen nicht. Riechen Sie was? Also, dieser Methan-Geruch ist so deutlich, selbst wenn da Kohlenmonoxid wäre...Ich könnte es beim besten Willen nicht rausriechen. Mit viel gutem Willen meine ich einen Hauch von Ammoniak wahrzunehmen, aber kein Kohlenmonoxid.

Meine Damen und Herren, wir stehen vor einem Rätsel.

Wir erinnern uns: Methan sollte bei Temperaturen unter 800 K dominieren, was hier der Fall zu sein scheint, obwohl die Wärmebildkameras weit höhere Temperaturen anzeigen. Es scheint laut Marc Swain und co tatsächlich so zu sein, dass im abgesuchten Infrarotbereich Kohlenmonoxid und Methan bestimmte Bereiche teilen und das Methan einfach alles verdeckt. Man kann daher bisher "nur" sagen, dass nicht soviel Kohlenmonoxid vorhanden sein kann. Sonst würde man es merken.

Und jetzt?

Tja, meine Damen und Herren. Das ist Wissenschaft am Rande des bisher Erforschten. Es gibt bisher keine befriedigenden Antworten. Wir müssen jetzt mal die Forscher forschen lassen und sehen, was die weiterhin in Erfahrung bringen.

Es sind jetzt zum einen theoretischen Atmosphärenforscher gefragt, die diese Messung in ihre Modelle stecken. Wird das Kohlenmonoxid aufgrund der großen Hitze zu schnell vernichtet? Wurde die Methan-Produktionsrate unterschätzt? Gleichzeitig werden sich die angewandten Astronomen bemühen, diese Messungen bei diesem und bei anderen Planeten zu wiederholen.

Seht es doch mal so: Diese extrem empfindliche Messung eines Spurenelementes in der Atmosphäre eines 19 Parsec entfernten Planeten war erfolgreich. Langfristig gesehen sollte die Verteilung kohlenstoffhaltiger Moleküle in der Atmosphäre extrasolarer Planeten uns viel verraten:
Wie die Hitze des Sterns sich über den Planeten verteilt. Ob es Strömungen gibt oder das Ganze mehr oder weniger statisch ist. Ob die Planeten wirklich immer nur dieselbe Seite ihrem Zentralstern zuwenden.

Nebenbei haben Marc Swain und seine Kollegen noch ein weiteres Rätsel aufgestellt. Bei ihren Messungen haben sie erfolglos nach Schwebeteilchen d.h. Aerosolen gesucht, welche den Planeten verschleiern könnten. Einen solchen Schleier wiederum wollen andere Forscher entdeckt haben (8). Entweder sind die Schwebeteilchen so klein, dass man sie im Infrarot nicht sieht, woraus sich dann allerdings zumindest eine Obergrenze für die Größe bestimmen lässt, was man wiederum mit der Situation auf dem Jupiter vergleichen könnte oder aber die Schwebeteilchen treten nur unter bestimmten Bedingungen auf.

Aber jetzt wird es langsam Zeit, zur Erde zurückzukehren! Ich hoffe, die Reise hat Ihnen gefallen. Beehren Sie uns doch bald wieder ;-)

P.S.: Damit niemand hier auf falsche Gedanken kommt. Die Nature-Veröffentlichung über das Methan in extrasolaren Planeten datiert vom 20.3.2008 ist also nicht ganz taufrisch. Na und? Ich hab nie verstanden, warum echtes Wissen an Wert verlieren sollte, nur weil es nicht gerade aktuell auf dem Nachrichtenbasar angepriesen wird.
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(1) Ja, der Name ist unhandlich und nicht leicht zu merken. Aber bei bald 300 extrasolaren Planeten sollten wir froh sein, dass wir uns nicht jedes Mal einen Namen aus den Rippen schneiden müssen. Uns gehen so langsam die Gottheiten aus ;-)

Daten von über 200 000 Sternen wurden im so genannten Henry-Draper-Katalog im letzten Jahrhundert nach dem ersten Weltkrieg und in einer Erweiterung nach dem zweiten Weltkrieg herausgegeben. Eine unglaubliche Fleißarbeit, von der wir noch heute fast 100 Jahre später profitieren. Auch wenn es für so eine Datensammelei nie einen Nobelpreis geben wird, so ist auch das Wissenschaft. Klingt unheimlich langweilig, ist aber auf lange Sicht unheimlich wichtig. Sonst würden wir ständig die Arbeit doppelt und dreifach machen, was bei über 200 000 Sternen eine unglaubliche Zeitverschwendung wäre.
(2) Ann. Rev. Earth Planet Sci. 1982,10:257-95, Interiors of Giant Planets, D.J. Stevenson. U.a. es gibt dazu unzählige Arbeiten.
(3) Nature , Vol 447 , 2007, KNUTSON H., CHARBONNEAU D., ALLEN L., FORTNEY J., AGOL E., COWAN N., SHOWMAN A., COOPER C. & MEGEATH S.,
A map of the day-night contrast of the extrasolar planet HD 189733b
(4) Nature, Vol 452, 2008, doi:10.1038/nature06823, The presence of methane in the atmosphere of an extrasolar planet, Mark R. Swain, Gautam Vasisht & Giovanna Tinetti
(5) Warum nochmal sollte Hubble aufgegeben werden?
(6) "Gefunden", das sagt sich so einfach. Tatsächlich steckt dahinter einiges an Arbeit. Es ist nun mal so, dass in der Infrarotaufnahme beides drinsteckt - Aufnahmen des Sterns und Aufnahmen des Planeten. Diese lassen sich in diesem speziellen Fall nur trennen, weil der Planet von uns aus gesehen gerade so kreist, dass er abwechselnd den Stern verdeckt und abwechselnd von ihm verdeckt wird. Es kommt jetzt darauf an, die Unterschiede im Infrarotbereich aus diesen beiden Verdeckungsfällen rauszurechnen. Diesen Unterschied muss man dann nach den fraglichen Molekülen absuchen.
(7) Nature, Vol 448, 2007, Water vapour in the atmosphere of a transiting extrasolar planet, Tinetti, G. et al.
(8) Pont, F., Knutson, H., Gilliland, R. L., Moutou, C. & Charbonneau, D. Detection of
atmospheric haze on an extrasolar planet: The 0.55 - 1.05 micron transmission
spectrum of HD189733b with the Hubble Space Telescope. Mon. Not. R. Astron.
Soc. (noch unveröffentlicht)

 

Autor: Ludmila Carone· 2 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: Astronomie· Extrasolare Planeten· Jupiter· Merkur· Raumfahrt