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Im Zentrum der Planetenjagd

Für die Europäischen Südsternwarte (ESO) brachte die Exoplaneten-Forschung viele grosse Erfolge, und die Zukunftsaussichten sind noch spannender, wie ESO-Gastautor Gaspare Lo Courto im folgenden Artikel erklärt.

Von Gaspare Lo Courto, ESO

Dieses Jahr sind es zwei Jahrzehnte her, seit Michel Mayor und Didier Queloz im Observatorium Haute-Provence mit Hilfe des hochauflösenden Spektrographen ELODIE den ersten Exoplaneten bei einem anderen sonnenähnlichen Stern, 51 Pegasi b, entdeckten. Seither arbeiteten die Planetenjäger mit Hochdruck, und wir bei ESO waren im Zentrum dieser Suche, indem wir Teleskope, Instrumente und Infrastruktur für die entsprechenden Beobachtungen zur Verfügung stellten.

Das 3.6-Meter-Teleskop der ESO in La Silla. Hier ist der HARPS-Spektrograph für die Planetenjagd installiert. (Bild: ESO)

1996, ein Jahr nach der Entdeckung von 51 Peg b, erhielt eine Arbeitsgruppe den Auftrag, wirkungsvolle Strategien für die Exoplaneten-Suche bei ESO zu diskutieren. Ein Jahr später machte die Gruppe – bestehend aus prominenten Vertretern des Forschungsgebiets aus ganz Europa und den USA – eine Serie von Empfehlungen. Die meisten setzte die ESO in den folgenden Jahren um. Sie brachten eine reiche Ernte.

Der erste Exoplanet, der auf ESO-Gebiet aufgespürt wurde, war Gliese 86b. Die Entdeckung, veröffentlicht im November 1998, gelang mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode durch den CORALIE-Spektrographen, der auf dem Schweizer Euler-Teleskop installiert wurde, das im April 1998 in La Silla in Betrieb ging – ein sehr erfolgreiches, nationales Projekt, unterstützt durch die ESO-Infrastruktur. Nur wenige Monate später wurde der erste Exoplanet mit ESO-Instrumentierung entdeckt: Iota Horologii b. Der Planet umläuft einen sonnenähnlichen Stern und wurde mit dem CES-Spektrographen des 1,4-Meter-CAT-Teleskops aufgespürt. Er hat etwa zwei Jupiter-Massen und umläuft seinen Stern in der gleichen Entfernung, wie die Erde um die Sonne kreist. Er ist deshalb in der Mitte der so genannten „bewohnbaren Zone“, wo flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche existieren könnte – der erste derartige Exoplanet.

Aufgrund einer Hauptempfehlung der Arbeitsgruppe baute ein Konsortium unter der Leitung des Genfer Observatoriums einen neuen, hochauflösenden Spektrographen. Dieser erreichte bei der Radialgeschwindigkeitsmessung eine Präzision von 1m/sec und wurde im 3,6-Meter-Teleskop in La Silla installiert. HARPS mischte die Karten neu auf. Seine Stabilität und weitere technischen Fortschritte, sowie die grosse Zeitspanne, die im Rahmen eines kohärenten Programms der Planetensuche gewidmet wurde (500 Nächte in 5 Jahren), machten aus HARPS eine bemerkenswerte Erfolgsgeschichte. Dank HARPS und seiner ausserordentlichen Präzision, wissen wir heute:

• Exoplaneten sind sehr häufig.
• Systeme mit mehr als einem Planeten sind ebenfalls sehr häufig.
• Systeme mit mehreren Planeten sind im Allgemeinen reich an Planeten mit wenig Masse.
• Die Masseverteilungsfunktion der Planeten hat ihren Höhepunkt bei kleinen Massen.
• Die Metallizitätsverteilung bei Sternen mit massearmen Planeten ist flach, im Unterschied zur entsprechenden Verteilung bei Sternen, die nur Riesenplaneten beherbergen.
• Viele Planeten umlaufen ihren Mutterstern in einer Richtung, die der Sternrotation entgegengesetzt ist.

Die Illustration zeigt einen von HARPS entdeckten Planeten: Die Supererde HD 85515 b (Bild: ESO/M.Kornmesser/Nick Risiger)

Während Routinewartungen von HARPS wurde entschieden, das 3,6-Meter-Teleskop vollständig diesem Instrument zu widmen, um dessen Leistung und die wissenschaftliche Ausbeute zu verbessern. Zudem wurde der Sekundärspiegel des Teleskops generalüberholt und damit die Stabilität erhöht. Ein neu eingebautes Führungssystem erlaubt eine bessere Zentrierung des Sterns in der HARPS-Faser. 2008 wurde eine neue Fabry-Perot-Einheit installiert, um kurzfristige Instrumentenabweichungen besser zu messen und zu korrigieren als mit den konventionellen ThAr-Lampen (Lampen gefüllt mit Thorium- und Argon-Gas zur Kalibrierung von Spektren). Gleichzeitig wurde ein besseres System zur Wellenlängen-Kalibrierung entwickelt unter Anwendung der Laserfrequenzkamm-Technologie, einer mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Erfindung. Das „ideale“ Kalibrierungssystem wurde schliesslich im April 2015 installiert. Nach einer zweiten, noch nicht festgelegten Testphase wird das System für die Forschergemeinschaft bereit sein.

Wir erwarten, dass die Radialgeschwindigkeitspräzision der Wellenlängen-Kalibrierung mit diesem System genauer sein wird als 3 cm/sec. Prinzipiell erlaubt uns dies, einen erdähnlichen Planeten auf einer erdähnlichen Umlaufbahn zu entdecken. (Die Radialgeschwindigkeitssignatur des Erdumlaufs um die Sonne beträgt ungefähr 9 cm/sec.) Gleichzeitig werden neue optische Fasern mit achteckigem Querschnitt hergestellt. Diese sollen die Homogenität des austretenden Lichtstrahls verbessern. Nach einigen Tests und positiven Resultaten bei den HARPS-N- und SOPHIE-Spektrographen planen wir, diese Fasern noch im Mai 2015 zu installieren. Es handelt sich dabei um eine fortwährende Anstrengung – ein langfristiges Engagement – sowohl von ESO als auch des Konsortiums, um die Präzision des Instruments zu verbessern. Dies ist der Schlüssel zum Erfolg des Projekts.

Die Messungen der Radialgeschwindigkeit waren bisher die erfolgreichste Methode, um vom Boden aus Exoplaneten aufzuspüren. Das haben CORALIE, FEROS, HARPS und UVES gezeigt. Viele andere Beobachtungen bei ESO haben nicht nur die Entdeckung, sondern auch die Charakterisierung von Exoplaneten zum Ziel. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit möchten wir  einige dieser Resultate erwähnen. Die Kollaboration PLANET nutzt seit 1995 die Mikrolinsen-Technik. La Silla ist einer der Beobachtungsorte, und 2005 wurde mit dieser Technik der erste Gesteinsplanet mit einer Masse von nur 5,5 Erdmassen entdeckt. Etwa gleichzeitig machte NACO (mit einer koronographischen Maske) das erste Bild eines Exoplaneten: 2M1207A-b. In der Atmosphäre wurde mit Hilfe spektroskopischer Beobachtungen Wasser gefunden. Seither folgten neue Entdeckungen. CRIRES hat mit Hilfe der Transit-Spektroskopie die Atmosphären von Exoplaneten untersucht und dabei CO-Moleküle identifiziert. SPHERE, das kürzlich auf dem Paranal installiert wurde, und ESPRESSO, das 2016 ankommen soll, sind die neuesten Instrumente, deren wissenschaftliches Ziel die Entdeckung und Charakterisierung von Exoplaneten ist.

Die Zukunftsaussichten der Exoplaneten-Forschung bei ESO sind noch besser. Dieses Gebiet zählt zu den Vorzeigemotivationen für das E-ELT und liefert den wissenschaftlichen Hauptgrund für zwei von drei der ersten Instrumente. Zusätzlich ist das Konzept eines hochauflösenden Spektrographen in Arbeit, der auf die ersten drei Instrumente folgen soll. Wenn die entsprechende Technik bereit ist, sollen eine Planeten-Kamera und ein Spektrograph erdähnliche Exoplaneten in der bewohnbaren Zone fotografieren und charakterisieren können. Vorkehrungen dazu wurden bereits gemacht.

Den Ursprung der Planetensysteme und letztendlich von Leben zu verstehen, ist ein äusserst wichtiges Thema, sowohl vom wissenschaftlichen, als auch philosophischen Standpunkt aus gesehen. Zusammen mit der astronomischen Gemeinschaft nimmt ESO diese Herausforderung an. Viele spannende Resultate wurden erzielt; viele weitere werden auf uns zu kommen.