von Ludwig Scheibe (TU Berlin), Februar 2025
Die häufigsten und erfolgreichsten Methoden, um Planeten um andere Sterne zu finden, sind die Transit- und die Radialgeschwindigkeitsmethode. Durch sie hat die Menschheit tausende Exoplaneten entdeckt und findet immer noch neue. Doch beide diese Methoden sind darauf angewiesen, dass wir auf das Planetensystem „von der Seite“ schauen, also der Planet zwischen uns und seinem Stern vorbeizieht. Planeten, die ihren Stern so umkreisen, dass wir die Umlaufbahn „von oben“ sehen, können wir damit nicht entdecken.
Links: ideale Anordnung von Teleskop und Planetensystem für Transit- und Radialgeschwindigkeitsmethode. Rechts: Anordnung von Teleskop und Planetensystem, bei der man keine Planeten mit Transit- oder Radialgeschwindigkeitsmethode entdecken kann. Achtung: Abstände und Größen sind nicht maßstabsgerecht.
Auf der Suche nach dem Wackeln
Astrometrie ist ein faszinierendes Forschungsgebiet in der Astronomie, in dem es darum geht, die Position und Bewegungen von Sternen und anderen Himmelskörpern möglichst präzise zu messen und nachzuvollziehen. Diese Methode hat viele nützliche Anwendungen, wie zum Beispiel die Messung der Entfernungen zu Sternen. Hier soll es aber darum gehen, was uns solche Messungen über die mögliche Existenz von Planeten verraten.
Der grundlegende Effekt, den wir nutzen, ist der gleiche wie bei der Radialgeschwindigkeitsmethode: Wenn ein Planet um seinen Stern kreist, dann bleibt der Stern nicht unbeweglich. Auch er führt eine Umlaufbewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt aus, die zwar viel geringer ist als die des Planeten, aber dennoch vorhanden ist. Diese minimale Bewegung führt dazu, dass sich die Position des Sterns am Himmel in Relation zu den benachbarten Sternen verändert.
Das Prinzip hinter dem astrometrischen Nachweis von Exoplaneten. Quelle: NASA
Winziges Signal
Das Problem dieser Methode liegt in der extrem geringen Positionsveränderung der Sterne. Selbst bei großen und schweren Planeten in der Umlaufbahn um einen nahen Stern beträgt die Positionsveränderung am Himmel nur etwa ein Tausendstel einer Bogensekunde – zum Vergleich, ein Astronaut auf Höhe der ISS würde von der Erde betrachtet nur eine Bogensekunde einnehmen. Für leichtere Planeten oder solche, die mehr als nur ein paar Lichtjahre von uns entfernt sind, kann diese Veränderung nochmal um den Faktor tausend kleiner sein.
Diese Änderungen sind im besten Fall gerade noch mit unseren heutigen Teleskopen messbar. Deshalb haben wir bis jetzt – Stand Anfang 2025 – nur eine Handvoll Exoplaneten mittels Astrometrie entdeckt. Der große Vorteil dieser Methode liegt jedoch darin, dass das Signal unabhängig vom Blickwinkel auf das Planetensystem ist. Dadurch konnte Astrometrie bereits erfolgreich genutzt werden, um die Masse von Planeten, die mit anderen Methoden entdeckt wurden, genauer zu bestimmen.
Die Gaia-Mission
Künstlerische Darstellung des Gaia-Weltraumteleskops. Quelle: ©ESA
Die Atmosphäre der Erde verändert alles Licht, das uns aus dem Weltall erreicht, leicht. Dadurch besteht die beste Chance, wirklich genaue astrometrische Daten der Sterne zu messen, in Teleskopen im Weltraum. Eines davon ist das Teleskop Gaia der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Seit seinem Start Ende 2013 vermisst es mit zuvor ungekannter Genauigkeit die Position von über einer Milliarde Sterne. Bereits mit den jetzt verfügbaren Daten konnten einzelne Planeten entdeckt werden, beispielsweise Gaia 4b. Dieser Planet ist einer der ersten Exoplaneten, die mit Hilfe der astrometrischen Technik entdeckt wurden, und er ist einer der schwersten Planeten, von denen bekannt ist, dass sie einen kleinen, massearmen Stern umkreisen. Doch die Verarbeitung und Auswertung des ganzen Datensatzes benötigt viel Zeit. Daher wird erwartet, dass in den nächsten Jahren viele weitere Planeten mit den Gaia-Daten astrometrisch entdeckt werden.
Interessante Fragen zu Astrometrie:
Was können wir durch Astrometrie über Exoplaneten lernen?
Die gemessene maximale Verschiebung des Sterns ist hauptsächlich durch die Masse des Planeten und seinen Bahnradius bestimmt. Letzteres können wir bestimmen, indem wir die Frequenz der Sternbewegung messen, die uns die Umlaufperiode des Planeten verrät. Umlaufperiode und Umlaufbahnradius sind direkt miteinander verknüpft, sodass wir aus der Sternenbewegung die Planetenmasse berechnen können.
Welche Planeten sind besonders für die Entdeckung mit Astrometrie geeignet?
Je schwerer ein Planet ist, desto stärker ist die Bewegung, die er an seinem Stern verursacht. Das heißt, dass massereiche Planeten leichter zu entdecken sind als massearme.
Außerdem ist die verursachte Bewegung größer, je größer der Bahnradius des Planeten ist. Im Gegensatz zur Transit- und Radialgeschwindigkeitsmethode sind daher vor allem Planeten auf weiten Umlaufbahnen auffindbar.
Schließlich lässt sich die gleiche Auslenkung des Sterns leichter messen, wenn der Stern näher an uns dran ist. Das heißt, mit Astrometrie werden wir vor allem Planeten um eher nahegelegene Sterne finden.
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