Exoplaneten entdecken. Direkte und indirekte Nachweise


Seminararbeit, 2016

25 Seiten, Note: Unbenotet


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Der Mensch auf der Suche nach einer neuen Heimat

2. Nachweis eines extrasolaren Planeten
2.1 Indirekte Nachweismethoden
2.1.1 Transitmethode
2.1.2 Radialgeschwindigkeitsmethode
2.1.3 Astrometrische Methode
2.1.4 Gravitional-microlensing Methode
2.1.5 Berechnung nach gestörter Planetenbahn
2.1.6 Lichtlaufzeit-Methode
2.2 Direkte Nachweismethode
2.3 Weitere Messmethoden
2.4 Schwierigkeiten eines Nachweises
2.4.1 Allgemein
2.4.2 Speziell

3. Ausblick und Fazit
3.1 Missionen
3.2 Persönliche Einschätzung meiner Recherche

4. Quellen

5. Mail-Korrespondenz

1. Der Mensch auf der Suche nach einer neuen Heimat

Das 20. und das 21. Jahrhundert waren und sind weltweit geprägt von gigantischem Energie-verbrauch, unzähligen Umweltkatastrophen, zurückgehenden Ressourcen und von gesellschaftlichen Problemen wie Kriegen und Terror. Der Gedanke, außerhalb der Erde eine neue Heimat für die Menschheit zu finden, ist deshalb spätestens seit der Mondlandung im Jahre 1969 bei jedem präsent.

Die Wissenschaft geht einen Schritt weiter und arbeitet an der Realisierung dieses Menschheitstraums: Nach der Entdeckung kosmischer Hintergrundstrahlung oder der Radioaktivität, die – laut der Astrophysikerin Dr. Hannelore Hämmerle – in der Weltraumforschung zu den bedeutendsten Entdeckungen der letzten 150 Jahre gehören[1], stellt für Astronomen jetzt und in der Zukunft die Suche nach terrestrischen Planeten außerhalb unseres Sonnen-systems eine Herausforderung dar, um menschliches Leben außerhalb der Erde zu verwirklichen.

Im Jahre 1992[2] hatten sie damit auch erstmals Erfolg, als der erste extrasolare Planet entdeckt wurde. Am 12.8.2016 wurde ein weiterer besonderer Fund publik, als das Nachrichtenjournal N-TV in einem Artikel von der zu diesem Zeitpunkt nicht bestätigten Entdeckung eines erdenähnlichen Planeten berichtete.[3] Diese Entdeckung wurde am 24.8.2016 vom Max-Planck-Institut bestätigt.[4] Das Besondere an diesem Himmelskörper: Er befindet sich außerhalb unseres Sonnensystems und gehört damit einer Art von Planeten an, die extrasolar oder auch Exoplaneten genannt werden:

„Extrasolar planets are planets orbiting around other stars. […] A planet is an object that has a mass between that of Pluto and the Deuterium-burning threshold and that forms in orbit around an object that can generate energy by nuclear reaction.“[5]

Der bereits genannte, kürzlich entdeckte Planet befindet sich in einer günstigen Entfernung um unseren Nachbarstern Proxima Centauri und wäre somit mit einem Raumschiff vermutlich zu erreichen. Laut Angabe des Spiegels, auf den sich N-TV bezieht, „verwendeten die Forscher zur Suche ein Spiegelteleskop, das die ESO […] [betreibt].“[6]

Doch nicht nur dieses Teleskop steht Wissenschaftlern zur Verfügung, wenn sie das Weltall nach fremden Planeten absuchen. Auch die indirekten Nachweismethoden Transit-, Radialgeschwindigkeits-, Astrometrische, Gravitational-microlensing Methode, die Berechnung nach gestörter Planetenbahn und die Lichtlaufzeit Methode sowie die direkte Nachweismethode zusammen mit einer neuen These können von den Forschern genutzt werden.

Um ihre Entdeckungen auch international zu teilen und sich abzustimmen, gibt es eine allgemeine Nomenklatur. So werden alle Exoplaneten nach einem Schema benannt: Ihre Bezeichnung wird aus dem Namen des Zentralgestirns und einem Kleinbuchstaben, beginnend bei „b“ generiert. Die Nummerierung nach dem Alphabet setzt sich aus der Reihenfolge der Entdeckung zusammen und hat nichts mit dem Abstand zum Zentralgestirn zu tun.[7] So heißt der kürzlich entdeckte Planet (siehe S. 3) zum Beispiel „Proxima Centauri b“.

2. Nachweis eines extrasolaren Planeten

2.1 Indirekte Nachweismethoden

2.1.1 Transitmethode

Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten um 1992 wurden mit der Transitmethode bereits über 200 Welten entdeckt, Stand 2014[8] ; damit zählt sie zu den erfolgreichsten Methoden zur Entdeckung von Himmelskörpern außerhalb unseres Sonnensystems. „Als einen Transit bezeichnet man grundsätzlich einen Vorgang, bei dem ein Planet an der dem Beobachter zugewandten Seite eines Sterns vorbei zieht.“ (Vgl. Piper 2014, S. 39) Ein naheliegendes Beispiel hierfür ist die Sonnenfinsternis, bei der der Mond von der Erde aus gesehen vor der Sonne vorbei zieht und eine Abdunkelung hervorruft.[9] Das gleiche Resultat erkennt man auch bei Exoplaneten: Zieht ein Exoplanet vor einem Stern vorbei, so verdunkelt er diesen. Erfolgt diese messbare Helligkeitsschwankung regelmäßig und periodisch, kann man an dieser Stelle von einem Planeten ausgehen. Die am besten zur Beobachtung geeigneten Teleskope sind Hubble, SuperWASP und Spitzer.[10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Damit solch ein Vorgang allerdings sichtbar ist, muss sich der Beobachter auf fast der gleichen Bahnebene wie der Planet befinden, ansonsten geschieht der Transit unbemerkt.[11] Die Intensität der Verdunkelung hängt zusätzlich von der Größe des zu entdeckenden Planeten ab: je größer der Planet, desto stärker die Abdunkelung.

Die terrestrischen Planeten, die aufgrund ihres Aufbaus der Erde ähneln, sind deshalb nur bedingt durch die Transitmethode zu entdecken, da sie aufgrund ihrer Größe lediglich eine minimale Schwankung hervorrufen.

„Von der Stärke des Helligkeitseinbruchs lässt sich auf die Größe des Begleiters schließen, wenn der Radius des Sterns bekannt ist“ (vgl. Holtmann 2008, S. 10):

Hierbei ist F der Fluss des Sterns, der Helligkeitsunterschied sowie r der Radius der beteiligten Himmelskörper.[12]

Die Wahrscheinlichkeit, einen Planeten mit der Transitmethode zu finden, ergibt sich aus dem Radius des Sterns dividiert durch die Umlaufbahn des Begleiters:

Möchte man beispielsweise den Saturn mit der Transitmethode nachweisen, so ergibt sich folgende Rechnung für die Wahrscheinlichkeit, ihn zu finden[13] bei Sonnenradius 695.700 km und Umlaufbahn des Saturns von 1.429.390.000 km.[14]

Durch die Messung der Umlaufdauer, die Bestimmung der Masse in Verbindung mit der dritten Keplerschen Bewegungsgleichung und der Newtonschen Gravitationskonstante kann nun der Bahnenradius berechnet werden. Je kleiner der Bahnenradius ist, desto kürzer ist die Umlaufdauer.

Die Besonderheit der Transitmethode ist die Tatsache, dass mit dieser Methode entdeckte Planeten die einzigen sind, bei denen man die Größe sofort bestimmt hat.[15] Allerdings reicht die Auflösung der vorhandenen Geräte (COROT- und Keplerteleskop) bisher nicht aus, um auch Exomonde nachzuweisen, d.h. Monde, die einen extrasolaren Planeten umkreisen.[16]

Bedienungsanleitung zum Modell der Transitmethode

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Oben dargestellte Versuchsanordnung zeigt ein Modell zur Transitmethode. Es besteht auf der linken Seite aus einem Stern – dargestellt durch eine Lampe – mit einem Planeten, der diesen annähernd kreisförmig umrundet – im Modell mit Eisenbahn inklusive Aufbau umgesetzt.

Die rechte Seite stellt die Erde dar. Zur Messung des Sternenlichts (des Lampenlichts) benutzt man eine Solarzelle, die eine Spannung von bis zu 0,5 V erzeugen kann. Diese ist an einen Verbraucher (Ventilator) angeschlossen, um einen Kurzschluss zu verhindern. Die entstehende Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen, das in Reihe geschalten wird.

Zur Bedienung:

1. Schließen Sie die Lampe an eine Steckdose an und richten Sie den Lichtkegel in Richtung der Solarzelle, sodass der Lichtkegel teilweise von der Eisenbahn verdeckt werden kann.
2. Dann befestigen Sie die Pole des Voltmeters an den beiden Schrauben/Metallteilen der Leitern an der Solarzelle.
3. Zuletzt starten Sie die Eisenbahn mit dem Planetenaufbau, indem Sie den Schalter nach vorne schieben.
4. In den folgenden Minuten können Sie nun beobachten, wie die Spannung beim Vorbeiziehen des „Planeten“ von sonst konstanten 0,4 V auf ungefähr 0,1 V zurückgeht.

Dieser Effekt ließe im Weltall auf einen Exoplaneten schließen.

[...]


[1] Dr. Hannelore Hämmerle, Physikerin und PR-Verantwortliche am MPI für Astrophysik und extraterrestrische Physik, Mail-Korrespondenz vom 5.8.16 bis 24.8.16, 23.8.16

[2] ESO, „Exoplanets“, Press Kit 2010, S. 3

[3] N-TV: www.n-tv.de/wissen/Zweite-Erde-um-Nachbarstern-entdeckt-article18405991.html, Stand 12.8.16

[4] MPG: www.mpg.de/10696754/proxima-centauri-planet, Stand 24.8.16

[5] ESO: www.eso.org/public/outreach/eduoff/cas/cas2004/casreports-2004/rep-228, Stand 30.10.16

[6] N-TV (12.8.16)

[7] Lew, Classen, „Extrasolare Planeten”, Uni Erlangen 12/08, S. 3

[8] Piper, Sven, „Exoplaneten - Die Suche nach einer zweiten Erde“, Springer Verlag, 2. Auflage 2014, S. 41

[9] Sasselov, Dimitar D. und Valencia, Diana, „Auf der Suche nach einer zweiten Erde“, Spektrum der Wissenschaft SPEZIAL, Ausgabe 2/14, Spektrum 2014, S. 71

[10] Klahr, Hubert und Henning, Thomas, „Aufregende neue Planetenwelten“, Sterne und Weltraum Astronomie-heute.de, Max-Planck-Gesellschaft 2009, S. 22

[11] Holtmann, Uli, „Die Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems”, Grin Verlag 2008, S. 9

[12] Holtmann (2008, S. 10)

[13] Holtmann (2008, S. 10)

[14] Astronomia: www.astronomia.de/index.htm?http://www.astronomia.de/saturn.htm, Stand 30.10.16

[15] Piper (2014, S. 41)

[16] Piper (2014, S. 41)

Ende der Leseprobe aus 25 Seiten

Details

Titel
Exoplaneten entdecken. Direkte und indirekte Nachweise
Note
Unbenotet
Autor
Jahr
2016
Seiten
25
Katalognummer
V344611
ISBN (eBook)
9783668359963
ISBN (Buch)
9783668359970
Dateigröße
598 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
exoplaneten, direkte, nachweise
Arbeit zitieren
Theresa Maresch (Autor), 2016, Exoplaneten entdecken. Direkte und indirekte Nachweise, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/344611

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