Revival einer aufgegebenen Weltraummission?
Die Charakterisierung von bewohnbaren oder sogar bewohnten Exoplaneten ist eines der wichtigsten Ziele der modernen Astrophysik. Die Wiederbelebung einer Weltraummission, die vor 10 Jahren gestoppt wurde, wäre vielversprechend. Zu diesem Ergebnis kommen die PlanetS-Wissenschaftler Jens Kammerer und Sascha Quanz von der ETH Zürich. Ihre Simulationen zeigen, dass ein Interferometer, das vom Weltraum aus Sterne im mittleren Infrarot-Bereich beobachtet, mehr als 300, meist kleine, nahe gelegene Exoplaneten direkt aufspüren könnte.
Das Licht verschiedener Teleskope wird kombiniert: So stellte sich ein Zeichner die ESA-Mission Darwin vor. (Bild IAS)
Was wäre geschehen, wenn die ESA die Weltraummission Darwin tatsächlich gestartet hätte? Die Konstellation aus vier oder fünf frei fliegenden Raumsonden hätte Bilder von erdähnlichen Exoplaneten liefern sollen. Wie gut wäre dies gelungen? Diese Frage wollten der ETH-Wissenschaftler Sascha Quanz und sein Masterstudent Jens Kammerer in einer Studie beantworten, welche die Zeitschrift «Astronomy & Astrophysics» jetzt zur Veröffentlichung angenommen hat. «Wir haben gezeigt, die Mission hätte mehr als 300 Exoplaneten direkt detektiert können – deutlich mehr als alle derzeit geplanten, bildgebenden Projekte jemals finden werden», sagt Sascha Quanz.
Für ihre Studie simulierten die Forscher Tausende von Exoplaneten-Systemen um 326 Sterne in unserer kosmischen Nachbarschaft. Die Simulationen basierten auf Daten der Kepler-Mission der U.S. Raumfahrtbehörde NASA. Diese Mission lieferte zum ersten Mal zuverlässige Statistiken über das Vorkommen von Exoplaneten je nach Grösse, Umlaufzeit und Typ des Muttersterns und zeigte, dass kleine Planeten allgegenwärtig sind. Vor mehr als 10 Jahren, als ESA und NASA an möglichen Konzepten für eine Mission zur Detektion von solch kleinen, erdähnlichen Planeten arbeiteten, war das Wissen über Exoplaneten jedoch deutlich begrenzter, und wegen technischer und finanzieller Probleme gaben die Raumfahrtorganisationen die Projekte damals auf.
«Die Pläne waren tatsächlich kompliziert und anspruchsvoll; aber inzwischen wurden viele Fortschritte gemacht und einige der technischen Probleme sind jetzt gelöst», erklärt Sascha Quanz. Er schaute sich das ehemalige Konzept für ein sogenanntes Nulling-Interferometer im Weltraum erneut an. Die Beobachtungen finden bei mittleren Infrarot-Wellenlängen statt, was bedeutet, dass man die Wärmestrahlung der Planeten einfängt, im Gegensatz zu reflektiertem Sternenlicht. Der Begriff «Nulling-Interferometrie» bezieht sich auf die Technik, mit der das helle Licht des Sterns ausgelöscht wird, um einen weit schwächeren Planeten abbilden zu können. Das Interferometer besteht aus verschiedenen, exakt ausgerichteten Teleskopen und einer zentralen Plattform, wo das Licht der verschiedenen Teleskope kombiniert wird. Erreicht das Sternenlicht die verschiedenen Teleskope, wird es zum Teil verschoben, bevor es sich im Zentrum überlagert und dabei auslöscht. Die Strahlung eines Planeten ist bereits verschoben, weil sie zu den verschiedenen Teleskopen einen anderen Weg durchläuft, da der Planet versetzt zum Zentralstern positioniert ist. Durch eine zweite Verschiebung werden die kombinierten Strahlen des Planeten verstärkt und nicht ausgelöscht.
85 bewohnbare oder sogar bewohnte Planeten
Das Resultat der Simulation von Kammerer und Quanz: Von den mehr als 300 detektierbaren Exoplaneten, die das Interferometer aufspürt, umkreist knapp die Hälfte rote Zwergsterne wie Proxima Centauri oder TRAPPIST-1, welche auch die höchste Planetenausbeute pro Stern aufweisen. Die andere Hälfte umkreist Sterne ähnlich unserer Sonne. Am interessantesten ist jedoch, dass 85 Planeten mit Radien zwischen dem 0,5- und 1,75-fachen des Erdradius und effektiven Temperaturen zwischen 200 und 450 Kelvin (-73 und 177 Grad Celsius) bewohnbar oder sogar bewohnt sein könnten. Diese sollten primäre Ziele für spektroskopische Beobachtungen und eine detaillierte Charakterisierung in einer zweiten Missionsphase sein.
Im Vergleich zu anderen Observatorien und Missionen schneidet das Weltraum-Interferometer am besten ab. Gemäss der ETH-Forscher ist die nächste Generation von 30- bis 40-Meter-Teleskopen auf der Erde zwar äusserst wichtig und wird bahnbrechende Entdeckungen ermöglichen, doch nur eine Handvoll, vielleicht ein Dutzend kleiner Exoplaneten um die nahegelegensten Sterne aufspüren. Eine vielversprechende und konkurrenzfähige Alternative zum Interferometer wäre ein grosses Weltraumteleskop im optischen und nahen Infrarot-Bereich, das für kontrastreiche Exoplaneten-Aufnahmen optimiert wäre. Die NASA untersucht derzeit entsprechende Konzepte. Diese Missionen namens HabEx und LUVOIR würden das von den Exoplaneten reflektierte Sternenlicht anstelle der Wärmestrahlung der Planeten detektieren. Sascha Quanz hat die Exoplaneten-Ausbeute im interessantesten Grössen- und Temperaturbereich untersucht und kommt zum Schluss: «HabEx/LUVOIR schneiden schlechter ab als ein Interferometer.»
Mit ihrer Studie wollen die Forscher die Diskussion über eine grosse Weltraummission zur Suche und Charakterisierung erdähnlicher Planeten neu lancieren. «Die Ergebnisse von Kepler haben uns gelehrt, dass ein Voranschreiten mit Darwin nicht umsonst gewesen wäre», schreiben sie: «Eine Interferometer-Mission im mittleren Infrarot scheint ein sehr vielversprechendes Konzept zu sein.» Sascha Quanz ist überzeugt, dass sich ein koordiniertes Engagement der Gemeinschaft der Exoplanetenforscher lohnen würde.
Jens Kammerer and Sascha P. Quanz: Simulating the Exoplanet Yield of a Space-based MIR Interferometer Based on Kepler Statistics, angenommen zur Publikation in Astronomy & Astrophysics, September 2017
https://arxiv.org/abs/1707.06820
