Exoplaneten

Die ersten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems wurden 1992 und 1995 nachgewiesen. Aktuell sind bereits über 5.500 Exoplaneten bekannt und bei ungefähr 7.000 weiteren muss der Nachweis noch bestätigt werden (Stand: November 2023).

Alle bekannten Exoplaneten befinden sich in der Milchstraße und die meisten wurden von den Weltraumteleskopen Kepler, Hubble, Spitzer und TESS entdeckt bzw. nachgewiesen. Auch die Größe, Dichte und Zusammensetzung vieler extrasolarer Planeten konnte bestimmt werden. Dies ermöglicht eine weitere Klassifizierung der Exoplaneten.

Zusammen mit dem Abstand zum Stern und der Sternenklasse kann auf die Möglichkeit von Leben geschlossen werden. Und bei manchen Exoplaneten ist es sogar möglich, die Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen. Für Planeten, die viele Lichtjahre entfernt sind, lässt sich so sagen, ob sie für den Menschen bewohnbar sind bzw. ob es dort aktuell Leben geben könnte.

In diesem Artikel fassen wir die wichtigsten Infos zum Thema Exoplaneten zusammen. Dabei gehen wir unter anderem auf diese Punkte und Fragen ein:

• Welche Methoden zur Entdeckung von Exoplaneten gibt es?
• Wie stellt man die Größe und Masse von Exoplaneten fest?
• Wie lassen sich weitere Bedingungen (Temperatur, Atmosphäre) auf diesen Planeten bestimmen?
• Welche Klassen oder Typen von Exoplaneten gibt es?
• Wie kann man feststellen, ob es auf Exoplaneten Wasser gibt?
• Ist auf einigen Exoplaneten Leben möglich?
• Wie viele erdähnliche Exoplaneten wurden bereits entdeckt?
• Könnten manche Exoplaneten von Menschen besiedelt werden?

Exoplanet Definition

Ein Exoplanet ist ein extrasolarer Planet, also ein Planet außerhalb unseres Sonnensystems.

Exoplaneten Nachweismethoden

In Science Fiction Romanen und Filmen sind Planeten in anderen Sternensystemen die Grundlage für den Kontakt mit vielen außerirdischen Zivilisationen. Und auch in der modernen Astronomie wurde die Existenz von extrasolaren Planeten schon lange angenommen.
Doch der tatsächliche Nachweis von Exoplaneten gelang erst 1992. Dies mag zunächst verwundern, doch auch die Entdeckung von Planeten in unserem Sonnensystem war teilweise schwierig.

Wie kann man Exoplaneten nachweisen?

Im Wesentlichen sind aktuell diese fünf Nachweismethoden von Bedeutung:

• Direkte Abbildung: Die Schwierigkeit beim direkten Nachweis von Exoplaneten ist nicht nur, dass diese sehr viel weiter entfernt sind als die Planeten im Sonnensystem. Das größte Problem bei der direkten Abbildung ergibt sich daraus, dass der Stern, zu welchem der Exoplanet gehört, mehrere Größenordnungen heller ist als der Planet. Teleskope empfangen deshalb hauptsächlich das Licht des Sterns. Dennoch ist für einige Exoplaneten der Nachweis mit dieser Methode möglich. Dazu wird das Licht des sehr viel helleren Sterns so abgeblockt, dass es nur noch einen geringen Teil des in das Teleskop einfallenden Lichts ausmacht. Sowohl moderne Bodenteleskope als auch viele Weltraumteleskope verfügen über sogenannte Coronagrafen, um das Licht von Sternen abzublocken. Wenn dies ausreichend gelingt, kann das Teleskop das reflektierte Licht des Exoplaneten messen. Etwa 60 Planeten wurden bisher durch diese Methode nachgewiesen. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass so auch eine spektroskopische Untersuchung des vom Exoplaneten reflektierten Lichts möglich ist. Dadurch kann zum Beispiel die Atmosphäre des Exoplaneten untersucht werden.
• Radialgeschwindigkeit: Planeten werden durch die Anziehungskraft des Sterns auf ihrer Bahn gehalten. Doch auch Planeten üben eine (sehr viel geringere) Anziehung auf den Stern aus. Die Masse eines Planeten führt deshalb zu einer kleinen Bewegung des Sterns. Je nach Position des Planeten auf seiner Bahn bewegt sich auch der Stern etwas in Richtung des Planeten.
  Aufgrund der sehr viel höheren Masse des Sterns im Vergleich zum Planeten ist diese Bewegung des Sterns minimal, aber indirekt messbar. Denn durch die Bewegung des Sterns ergibt sich ein Dopplereffekt. Abwechselnd verschiebt sich das Spektrum des vom Stern ausgesendeten Lichts etwas zu kleineren Wellenlängen (ins Blaue) und dann zu längeren Wellenlagen (ins Rote).
  Diese Verschiebung kann durch Teleskope auf der Erde und durch Weltraumteleskope gemessen werden. Mit dieser Methode können vor allem Planeten mit großer Masse entdeckt werden, die sich nahe dem Stern befinden.
• Astrometrie: Dieser Effekt der Schwerkraft von Exoplaneten auf die Sternposition kann für sehr wenige Sterne auch direkt gemessen werden: Die Position des Sterns am Sternenhimmel relativ zu anderen Sternen verändert sich, je nach Postion des Exoplaneten auf seiner Bahn um den Stern. Auch diese Methode eignet sich nur für Exoplaneten mit sehr großer Masse, die deshalb einen sehr starken Gravitationseffekt ausüben. Zudem erfordert diese Methode auch sehr hohe Anforderungen an die Messungen: Nur sehr präzise Optiken können Veränderungen der Position eines Sterns direkt nachwiesen.
• Transitmethode: Die bedeutendste Methode, mit der die meisten Exoplaneten nachgewiesen werden konnten. Die Methode ist im Vergleich zu den anderen Methoden auch sehr einfach: Misst man die Intensität des von einem Stern ausgestrahlten Lichtes über einen längeren Zeitraum, fallen bei manchen Sternen periodische Änderungen auf. Die Intensität nimmt zum Beispiel alle 200 Tage für 5 Tage ab und steigt dann wieder auf den Ausgangswert an. Ein möglicher Grund für diese periodische Änderung der Intensität ist ein Planet, der den Stern umkreist und einen geringen Teil des ausgestrahlten Lichtes abfängt. So ist die Intensität des Lichtes immer dann geringer, wenn sich der Planet zwischen Teleskop und dem Stern befindet, siehe Abbildung.
• Gravitationslinsenwirkung (Mikrolinsen): Nicht nur die Position von Sternen und Planeten wird durch die Gravitation beeinflusst. Auch das Licht der Sterne kann durch massereiche Objekte abgelenkt werden. Dies kann mitunter zu einem Effekt führen, der ähnlich wie eine vergrößernde Linse wirkt. Entsprechend erschient das Licht eines Sterns heller, wenn es durch solch eine Gravitationslinse gebeugt wird. Teleskope können dies durch einen Anstieg in der gemessenen Lichtintensität feststellen. Resultiert dieser Mikrolinseneffekt von einem Planeten, so dauert er meist nur einige Wochen und verschwindet dann wieder: Die Lichtintensität nimmt wieder ab, wenn der Planet sich auf seiner Bahn weiterbewegt und das Licht dann (für das messende Teleskop) nicht mehr gebeugt wird.

Wie viele Exoplaneten wurden bisher entdeckt?

Stand November 2023 sind mehr als 5.500 Exoplaneten bekannt und über 7.000 weitere müssen noch bestätigt werden.

In der folgenden Tabelle fassen wir den aktuellen Stand zur Anzahl der Exoplaneten zusammen, die bisher mit den verschiedenen Methoden nachgewiesen bzw. entdeckt wurden.

	Anzahl nachgewiesener Exoplaneten
Direkte Abbildung	69
Radialgeschwindigkeit	1.068
Astrometrie	3
Transitmethode	4.132
Gravitationslinsenwirkung	204
Gesamt	5.539

Klassifizierung von Exoplaneten

Für viele der nachgewiesenen Exoplaneten ist eine Bestimmung von weiteren Eigenschaften möglich. So kann bei entsprechend guten Bedingungen auf die Masse, die Zusammensetzung des Planeten, und die Temperatur auf der Oberfläche zurückgeschlossen werden. Auch die Entfernung zum Stern des jeweiligen Systems kann für viele Exoplaneten gut abgeschätzt werden.

Daraus ergibt sich eine Klassifizierung der Exoplaneten, welche insbesondere für die Frage, ob es auf einem Exoplaneten Wasser oder möglicherweise Leben gibt, interessant ist.

Man unterscheidet diese 4 Klassen oder Typen von Exoplaneten:

• Neptun ähnliche
• Heiße Jupiter
• Super-Erden
• Erdähnliche Planeten

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick, wie viele der nachgewiesenen Exoplaneten zu dem jeweiligen Exoplaneten-Typ gehören:

Exoplaneten Klasse	Anzahl	Prozent
Neptun ähnliche	1.900	34 %
Heiße Jupiter	1.758	32 %
Super-Erden	1.675	30 %
Erdähnliche Planeten	199	3,6 %

Bekannte Exoplaneten

Die Zahl von 5.500 bekannten Exoplaneten mag vielleicht zunächst sehr hoch erscheinen. Im Vergleich zur Anzahl der Sterne, die es alleine in der Milchstraße gibt (über 100 Milliarden) ist dies jedoch sehr gering. Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, dass

1. die meisten Exoplaneten in den letzten 10 Jahren entdeckt wurden
2. bisher nur ein sehr kleiner Teil der über 100 Milliarden Sternensysteme in der Milchstraße untersucht wurde.

Neuere Teleskope wie TESS und CHEOPS werden wahrscheinlich viele neue Exoplaneten entdecken. Und auch das James-Webb-Teleskop wird wahrscheinlich zur Entdeckung von vielen weiteren Exoplaneten beitragen.

Wie viele Exoplaneten gibt es?

Nach den Schätzungen der NASA, ist davon auszugehen, dass es alleine in der Milchstraße Milliarden von Exoplaneten gibt.

Diese Zahl ergibt sich aus einer einfachen Rechnung: In unsere Galaxie, der Milchstraße, befinden sich wohl mehr als 100 Milliarden Sterne. Bisherige Beobachtungen der Weltraumteleskope zeigen, dass wahrscheinlich jeder Stern in der Milchstraße von mindestens einem Exoplaneten umkreist wird. In manchen Sternensystemen befinden sich sogar deutlich mehr Exoplaneten.

Doch selbst wenn annimmt, dass manche Sterne keine Exoplaneten besitzen, kommt man im Mittel auf eine Zahl von deutlich über 1 Milliarde Exoplaneten in der Milchstraße. Und dies ist nur für eine Galaxie gerechnet.

Im Universum gibt es nach Schätzungen mehrere Billionen von Galaxien. Wenn man nun annimmt, dass auch in anderen Galaxien Planeten ungefähr so häufig vorkommen wie in der Milchstraße, bedeutet dies, dass es im Universum wahrscheinlich Billiarden von Exoplaneten gibt.

Bewohnbare Exoplaneten

Die über 5.500 bekannten Exoplaneten und die mögliche Existenz von Milliarden Exoplaneten alleine in unsere Milchstraße werfen eine alte und gleichzeitig auch sehr aktuelle und interessante Frage auf:

Gibt es Exoplaneten, die bewohnbar sind bzw. auf denen Leben existiert?

Tatsächlich lässt sich für viele Exoplaneten die Frage, ob dort Leben möglich ist, abschätzen. Dazu benötigt man die folgenden Daten, welche bereits für viele Exoplaneten bestimmt werden konnten:

• Habitable Zone: Die Entfernung des Planeten vom Stern darf nicht zu groß und auch nicht zu klein sein. Der Planet muss sich in einem Abstand vom Stern befinde, sodass auf der Oberfläche des Planeten Temperaturen herrschen, die flüssiges Wasser ermöglichen. Die Existenz von flüssigem Wasser wird als eine Voraussetzung für Leben auf Planeten angenommen.
• Gesteinsplaneten: Eine feste, felsenförmige Oberfläche gilt als weitere Voraussetzung für Leben auf anderen Planeten. Gasförmige Planeten, im Sonnensystem und anderen Sternensystemen, werden als unbewohnbar angenommen. Auch wenn theoretisch manche Formen von Leben auf Gasplaneten existieren könnten, ist die Wahrscheinlichkeit für Leben auf den Gesteinsplaneten nach heutigem Wissensstand viel größer.
• Spektralklassen G und K: Diese Sterne bieten wahrscheinlich die besten Bedingungen für Leben auf Planeten in der habitablen Zone. Die Sonne gehört mit einer Oberflächentemperatur von 5.772 Kelvin zur Spektralklasse G. Sterne der Spektralklasse K sind etwas kälter (3500 bis 4850 Kelvin).

Insbesondere das KEPLER Teleskop hat von 2009 bis 2018 diese Daten für viele Planeten bestimmt. Weitere Teleskope, die auch zurzeit noch diese Daten messen, sind unter anderem SPITZER, TESS und CHEOPS.

Die Daten zur Spektralklasse der Sterne hat im großen Umfang das GAIA Teleskop der ESA gemessen: Für über 1 Milliarde von Sternen wurde die Position und Leuchtkraft bestimmt.

Durch diese Daten von GAIA und KEPLER können Wissenschaftler für jeden Stern mit einem Exoplaneten die Habitable Zone berechnen. Nur auf Planeten, die sich innerhalb dieser Habitablen Zone befinden, ist Leben möglich. Zusätzlich müssen sie auch zur Klasse der Gesteinsplaneten gehören. Außerdem sollte die Masse des Planeten nicht deutlich größer als die der Erde sein. Damit gehört ein Exoplanet zu den erdähnlichen Planeten, welche gute Voraussetzungen für Leben bieten.

Erdähnliche Exoplaneten

Nach einer aktuellen Studie (erschienen 2020 in The Astronomical Journal) basierend auf den Daten von KEPLER und GAIA, existieren in der Milchstraße ungefähr 300 Millionen erdähnliche Planeten.

Dies ist eine gigantische Zahl, die zunächst unvorstellbar groß erscheint. Auch bedeutet diese hohe Anzahl von bewohnbaren Planeten, dass die Wahrscheinlichkeit für Leben auf einigen Exoplaneten relativ hoch sein sollte.
Allerdings darf man dabei nicht vergessen, dass diese Zahl nur eine Schätzung ist.

Bekannt sind zurzeit 5.500 Exoplaneten und von diesen bieten ca. 30 bis 40 erdähnliche Planeten Bedingungen, die wahrscheinlich Leben ermöglichen.

Ein System, das besonders viele erdähnliche Exoplaneten enthält, ist das Trappist-1 System. Hierauf gehen wir genauer in diesem Artikel ein:

Leben auf Exoplaneten

Die Anzahl von 300 Millionen erdähnlicher Exoplaneten alleine in der habitablen Zone der Sterne der Milchstraße erscheint gigantisch. Doch was bedeutet dies für die tatsächliche Existenz von Leben auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems?

Bisher konnte Leben auf Exoplaneten durch keines der vielen Teleskope, egal ob Weltraumteleskop oder Bodenteleskop, bestätigt werden. Auch mögliche Zeichen von Zivilisationen, Siedlungen, Verkehr usw. wurden bisher nicht entdeckt.

Dies liegt aber zum großen Teil daran, dass die aktuellen und bisherigen Teleskope dazu auch nicht oder nur in sehr geringem Umfang in der Lage sind. Allerdings haben neue und zukünftige Teleskope wie insbesondere das James-Webb-Teleskop dafür viel bessere Möglichkeiten.

Wie kann man nach Leben auf Exoplaneten suchen?

Es gibt verschiedene Methoden, mit denen nach Zeichen von möglichen Leben auf Exoplaneten gesucht werden kann. Dazu gehört insbesondere die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten.

QUELLEN

https://en.wikipedia.org/wiki/Methods_of_detecting_exoplanets
https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/index.html
http://exoplanet.eu/catalog/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/abc418
https://en.wikipedia.org/wiki/CHEOPS
https://en.wikipedia.org/wiki/Transiting_Exoplanet_Survey_Satellite
https://exoplanets.nasa.gov/discovery/exoplanet-catalog/