Credit: NASA/ESA/G. Bacon (STScI)

Auf der Reise zu Exoplaneten: Bilder in extremer Auflösung

Die Jagd nach bewohnbaren Exoplaneten spiegelt die Frage der Menschheit wider: Sind wir alleine da draußen? Lange Zeit war den Wissenschaftlern nicht einmal klar, ob es überhaupt Exoplaneten gibt. Sprich, Planeten die um andere Sonnen kreisen.

1995 gelang dann der faktische Nachweis des ersten Exoplaneten namens Dimidium, eine wissenschaftliche Meisterleistung. Der Name bedeutet „die Hälfte“ und beschreibt damit indirekt die halbe Jupitermasse des Planeten (auch 51 Pegasi b genannt). Obgleich bereits zuvor drei Exoplaneten dedektiert wurden, die allerdings einen Pulsar umkreisen. Pulsare sind wohl neben Schwarzen Löchern die bizarrsten Strukturen im Weltall überhaupt (=> Neutronensterne), die zwischen 30 bis 700 mal je Sekunde rotieren. Irgendeine Lebensform in der Nachbarschaft eines solchen Pulsars wird aufgrund seiner Eigenschaften für ausgeschlossen gehalten.

NASA Kepler
Eine NASA-Chart zur Kepler-Mission, Dez. 2017

Mittlerweile wurden dank des Fortschritts tausende von Exoplaneten entdeckt und nur sehr wenige gelten als möglicherweise bewohnbar (Stichwort „habitable Zone“), zumindest nach irdischen Maßstäben. Da wir auf der Erde Lebensformen entdeckt haben, die unter extremsten Bedingungen existieren können (Beispiel: Desulforudis audaxviator), stellt sich natürlich die Frage, was denn überhaupt eine habitable Zone sein soll? Leiten wir von uns als Kohlenstoff-Wasserstoff Wesen ab, die ein gewisses Maß an Intelligenz besitzen, sich von anderen Lebensformen und Wasser ernähern, dann wird die habitable Zone durchaus sehr eingeschränkt. Letztlich ist die Idee jedoch nicht so dumm oder eingeschränkt. Denn auf Basis der Stoffwechselkreisläufe und notwendigen Energielevel beweglicher und unbeweglicher Organismen kommt nur ein bestimmter Bereich an Elementen in Frage, wenn es um Effizienz geht. Es sei denn, Lebensformen haben einen Weg gefunden, beispielsweise aus Eisen oder noch schwereren Elementen kompakte, tragende Strukturen in ihren Zellen zu bilden. Wie auch immer.

Zur Zeit kommen wir auf 11 mögliche Exoplaneten, die „relativ sicher“ passende Lebensbedingungen bieten. Insgesamt nähern wir uns der Zahl von fast entdeckten 4.000 Exoplaneten (Stand Juli 2018), wovon die wenigsten wie gesagt als möglicherweise bewohnbar gelten.

Bizarre Exoplaneten

Auch wenn die allermeisten Exoplaneten unbewohnbar sind, so stoßen die Astronomen immer wieder auf völlig bizarre Planeten. So wäre HD 189733b zu erwähnen, der als Gasplanet in der Größe Jupiters den Stern HD 189733 (ein Gelber Zwerg) in 2,2 Tagen umkreist. Durch seine Nähe zur Sonne werden Millionen von Kilogramm Wasserstoff der Atmosphäre entzogen. Das aus der Nähe betrachtet faszinierend aussehen muss. Und nebenbei: Ja, dieser Planet ist wie unsere Erde ein blau leuchtender Planet. Der Künstler stellt sich das wie folgt vor:

HD 189733b, NASA
Credit: X-ray: NASA/CXC/SAO/K. Poppenhaeger et al; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

Es gibt noch so einen „bekloppten“ Planeten, der eine extrem elliptische Umlaufbahn aufweist und am nächsten Punkt zu seiner Sonne lediglich 5 Mio. Kilometer entfernt ist. HD 80606 b. In dieser Zeit heizt sich seine Atmosphäre in wenigen Stunden auf der sonnenzugewandten Seite um über 800 Grad Kelvin auf. Was zu Windgeschwindigkeiten von 18.000 km/h führen soll. Und wir auf der Erde zittern bereits bei Windgeschwindigkeiten von über 100 km/h. Diese NASA-Simulation verdeutlicht das Verhalten:

Beobachtung von Exoplaneten

Auch wenn wir Wege mühsamst gefunden haben, Exoplaneten zu entdecken und aus großen Entfernungen zu dedektieren, so können wir unmittelbar nicht einmal annähernd Strukturen der Planeten direkt erkennen. Geschweige denn einen Planeten in einem Teleskop sehen (jein). Wir leiten stets aus gemessenen Signalverläufen Planetenmassen und gewisse Logiken ab (zu den Nachweismethoden). So wie oben bei HD 189733b. Sehen im klassischen Sinne können wir das nicht, und wenn dann nur winzigste Pixelhaufen.

Wen die immens komplexe Wissenschaft und unglaublich feine Sensorik dahinter genauer interessiert, dem kann ich wärmstens den Podcast RZ060 Extrasolare Planeten mit Heike Rauer empfehlen. Podcast-Betreiber ist Tim Pritlove und mit Raumzeit bietet er eine ganze Reihe von faszinierenden Science-Podcasts. Bookmark-Befehl! Wer es einfacher verdaulicht haben möchte: Auf der Suche nach Exoplaneten von Lisa Kaltenegger, auch als Podcast auf SWR2 in dem Fall.

Wir werden demnach niemals in einem optischen Teleskop so etwas wie einen Saturn oder Jupiter sehen, mit all den Farben und Ringen und Monden? Im Grunde genommen nein. Werden wir nicht, nicht in der Schärfe. Dafür sind die Planeten zu weit entfernt und reflektieren viel zu wenig Sonnenlicht. Wir können selbst Sonnen nur als entfernte, äußerst winzige Lichtpunkte sehen. Und wenn es um ganze Galaxien geht, sehen wir manchmal nur verschwommene Pixelhaufen, je entfernter sie sind. Es gibt aber dennoch einen Weg!

Der gute alte Einstein stellte die damalige Physik auf den Kopf, wenn man es so sagen darf. Da kam ein Physiker und behauptete, der Raum sei nicht einfach nur ein Raum. Sondern es sei alles Raumzeit. Und alle Masseobjekte krümmen die Raumzeit. Bäm! Damit auch das Licht, das in Form elektromagnetischer Wellen im Raum durch Gravitation abgelenkt wird. Diese Effekte können wir anhand dieser Grafik veranschaulichen.

ESA Hubble
Credit: NASA, ESA & L. Calçada

Das Licht weit entfernter Galaxien wird durch andere Galaxien gekrümmt, bis es auf die Erde trifft. Dieser Effekt wird als Graviationslinse bezeichnet und wurde von Einstein vorhergesagt. Wozu das nützlich ist? Nun, einmal schaut der sogenannte Einsteinsche Ring manchmal ganz lustig aus:

Credit: NASA/ESA
Einsteinring / Credit: NASA/ESA

Die merkwürdig verzerrten, runden Farbschleier stellen einen Galaxiehaufen dar, dessen Licht stark gebogen wurde. Als würde man durch eine leeren Sektflaschenboden schauen? So ungefähr.

Der Effekt hat auch als ein weiterer Nachweis für Dunkle Materie gedient. Eine völlig unbekannte Größe im Weltraum, die zu merkwürdigen Rotationseffekten von Galaxien führt. Aber auch zu einer deutlich größeren Verzerrung von Licht als es eigentlich die berechnete Masse der ablenkenden Galaxieschwerkraft zulassen würde, die sich zwischen dem beobachteten Objekt und unserer Erde im Lichtpfad befindet.

Beobachtung von Exoplaneten mittels Gravitationslinse

Dieser Linseneffekt hilft zudem dank der Gravitation beim Erforschen von entfernten Galaxien, die eigentlich kaum noch sichtbar wären. Wir können uns das ungefähr wie eine Vergrößerungslinse vorstellen. Ein nahes Objekt wird um den Faktor X vergrößert und kann dadurch deutlich besser beobachtet werden. Wie ich bereits sagte, es ist wie der verzerrend-vergrößernde Blick durch den Unterboden einer Sektflasche oder eines Glases. Wir sprechen demnach nicht von einem klaren Blick auf das Objekt, sondern über sehr verzerrte Bilder (siehe das Smiley oben, … eben genau sowas). Mit moderner Rechentechnik lässt sich das heute jedoch ohne Weiteres wieder „geradebiegen“.

So könnten wir uns das vorstellen:

Was wäre also die Grundidee, Exoplaneten in ungeahnter Schärfe zu beobachten? Vor Jahren haben Claudio Maccone und vor ihm Von Eshleman von der Stanford Universität die Idee beschrieben. Die Sonne ist genauso eine Gravitationslinse. Warum also nicht ein Teleskop im Brennpunkt der umgelenkten Lichtstrahlen platzieren, womit man in der Lage wäre, Exoplaneten in einer aberwitzigen Detailschärfe zu beobachten?

Das Ganze wird als Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens (FOCAL) bezeichnet. Die Idee ist physikalisch völlig in Ordnung und es handelt sich um keine Parawissenschaft. Im Gegenteil.

Ein gewisser G. Landis hatte sich damit kritisch befasst, aber nicht nur er, auch die NASA hat bereits ein eigenes Projekt aufgesetzt. Landis hat seine kritischen Überlegungen in „Mission to the Gravitational Focus of the Sun: A Critical Analysiszusammengefasst.

Erst einmal die Vorteile?

Ein Exoplanet sei 10 Lichtjahre von unserer Sonne entfernt. Sein Durchmesser betrage 12.500 km. Im quasi-Brennpunkt – idealerweise ab rund 630 AU entfernt (1 AU= Entfernung Sonne-Erde / 0,01 Lichtjahre) – wäre der Exoplanet unglaubliche 12.500 Meter groß. Das ist aberwitzig im Vergleich zu den Pixelgrößen, in denen wir heute selbst nahe Planeten unseres Sonnensystems erfassen. Normalerweise ist das zu beobachtende Objekt um ein Vielfaches kleiner als die Linse des Teleskops. Oben bei unserem blauen Gasriesen sehen wir im Bild einen winzigen Ausschnitt mit drei lila Pixelklecksern. Mehr geht nicht. Das ist Realität und finales Maximum unserer Beobachtungsmöglichkeiten. Hier wäre es völlig umgekehrt.

Das Teleskop müsste demnach eine Fläche von 12,5 km x 12,5 km aufweisen oder eben einen Durchmesser von 12,5 km haben. 1×1 Meter entspricht hierbei 1×1 km auf der Oberfläche des Exoplaneten. Ein 156 km² großes Teleskop würde in einem einzigen Schnappschuss den gesamten Planeten in einer nie dagewesenen Auflösung und in einer 64.000fachen Vergrößerung ablichten. Gebirgszüge, Meere, Straßen, Städte wären beobachtbar. Das alles wäre dem vergrößerndem Gravitationslinseneffekt der Sonne zu verdanken. Statt ein derart riesiges Teleskop zu bauen (bitte nicht an Glas denken jetzt…), könnte man ebenso dutzende Einheiten in deutlich kleinerer Größe ins All jagen. Die das Gesamtbild anschließend zusammensetzen.

Die Vorzüge dieser Lösung wären demnach exorbitant! Wir könnten nicht nur Exoplaneten unfassbar präzise beobachten, sondern eine ganze Reihe von anderen Anwendungen drastisch vereinfacht lösen.

Jetzt kommen wir aber zu den Problemen, und die sind riesig!

Problem 1: Das Teleskop müsste auf ~10 km im Raum entlang der Fokusachse (Exoplanet – Sonne – Teleskop) präzise platziert werden. In einer Entfernung weit in den Tiefen des Alls ist das nicht mehr nur eine simple Navigationsleistung.

Problem 2: Der ideale Beobachtungspunkt beginnt allmählich ab 630 Astronomischen Einheiten. Das ist um ein Vielfaches mehr als die Voyager 1 Sonde zur Zeit entfernt ist (143 AE), die sich mit 17 km/s von uns entfernt. Und die Sonde ist seit 1977 unterwegs!

Image Credit: NASA

Problem 3: Selbst wenn die Geschwindigkeit des Teleskops das Doppelte der Voyager-Sonde betragen würde, wäre der Minimumpunkt von 550 AE in rund 110 Jahren Flugzeit erreicht. Dies hat Mark Millis in seiner Arbeit berechnet. Um ernsthafte Aufnahmen zu machen, müsste es nochmals 12 Jahre weiterreisen, bis es 630 AE entfernt ist. Von da an kann das Teleskop seine Arbeit aufnehmen.

Problem 4: Selbst mit den besten Akkutechniken, die wir kennen, würde das Teleskop nach rund 200 Jahren seinen Geist aufgeben. Je nachdem wie viele Exoplaneten das System anvisiert, muss es sich um zig AE-Einheiten weiterbewegen. Das dauert, bis es den nächsten, idealen Aufnahmepunkt in einer Zielgenauigkeit von 10 km auf der Sichtachse erreicht hat.

Problem 5: Auf der Jagd nach anderen Exoplaneten muss es im dreidimensionalen Raum zudem die Position in allen drei Ebenen verändern, um die geeignete Sichtachse zu erreichen. Treibstoff? Unendlich?

Problem 6: Durch die orbitale Bewegung des Exoplaneten mit sagen wir 30 km/sec wird sich unser oben angenommenes 1 km-Pixel in 33 Milisekunden weiterbewegen, womit der gesamte Planet im Brennpunkt nach 42 Sekunden verschwunden ist. Wäre der Planet 100 Lichtjahre entfernt, wäre er nach 420 Sekunden „außer Sicht“. Vorteil: Man könnte schon mal eine Ebene als Bild rastern, in der besagten 1-km Breite, mit deutlich kleineren Teleskopen. Aber eigentlich machen heutige Teleskope keine schnellen Schnappschüsse. Das Scanning oder Rastering soll im folgenden Bild angedeutet sein, das auch mit dem Blurring aka Unschärfe durch Rotation des Planeten und Linseneffekten der Sonne zu tun hat.

FOCAL, G. Landis

Problem 7: Die Korona unserer Sonne ist ein extrem heller Bereich, der Fotos innerhalb der Korona nahezu sinnlos macht. Und nur mit erheblichem Aufwand wäre das Signal-to-Noise-Ratio zu lösen. Sonst überblendet die Korona mit ihrer Helligkeit den Planeten => um dieses Problem komplett zu vermeiden, müsste man idealerweise 2.200 AU entfernt sein, damit der Einsteinring nicht von der Korona überstrahlt wird. Doch unsere Akkus haben dann längst den Geist aufgegeben. Alles was unterhalb dieser Reichweite liegt, muss mit eben diesen Signalstörungen der Korona kämpfen.

Problem 8: Die für den topmodernsten Raketenantrieb erforderliche Menge an Xenon-Gas würde 10% der irdischen Jahreskapazität in Anspruch nehmen.

Problem 9: Angesichts der Laufzeiten stellt sich prinzipiell die logische Frage nach Effizienz, ob unser technischer Fortschritt in der Astronomie aber auch in der Raumfahrt die Mission nicht besser auf einen späteren Zeitpunkt X verschieben ließe. Die Sonne läuft nicht weg, der Gravitationseffekt hat auch Zeit.

Dennoch: Die Idee ist absolut faszinierend. Übrigens, um einige Probleme mit der Sonne aka Korona-Effekt zu umgehen, könnte der Jupiter auch gute Dienste leisten. Googelt das bei Interesse.

Zusammengefasst könnt ihr euch ein Video des besagten G. Landis anschauen, der die einzelnen Vorteile und Probleme durchgeht:

Vielleicht werden wir ja beobachtet?

“Gravitationslinsen sind möglicherweise ein allgemein angewandtes Verfahren, mit dem fremde Zivilisationen die Regionen erforschen, die außerhalb der Planeten ihres Sonnensystems liegen.”

Meinte der berühmte Carl Sagan

Und wen es interessiert, was die Astronomen auf der Erde mit den Gravitationslinseneffekten anstellen, schaut euch das zum Schluss an: Auf der Suche nach Dunkler Materie und Dunkler Energie.

„Debbie Bard’s talk explains the phenomenon known as gravitational lensing and how astrophysicists use it to explore the 95 percent of the universe that remains unseen: dark matter and dark energy.“

Enden wir mit dem Traum so wie wir begannen: Sind wir alleine da draußen?

Titelbild-Credit: NASA/ESA/G. Bacon (STScI)