Proxima b: erdgroßer Planet in lebensfreundlicher Zone um sonnennächsten Stern nachgewiesen

Astronomen haben an der Europäischen Südsternwarte einen Planeten um den sonnennächsten Stern nachgewiesen. Das ist der rote Zwergstern Proxima Centauri; der Exoplanet wird entsprechend Proxima b genannt. Für die weitere Forschung besonders interessant: Der Planet ist wenig größer als die Erde, sodass es sich um einen Felsplaneten handeln dürfte; und er umkreist seinen Stern in der habitablen oder lebensfreundlichen, in der flüssiges Wasser möglich ist. Flüssiges Wasser ist eine wesentliche Voraussetzung für Leben ähnlich wie auf der Erde.

Der rote Zwergstern Proxima Centauri steht nur wenig mehr als vier Lichtjahre entfernt am Südhimmel; nach der Sonne ist dies der uns naheste Stern. Der kühle Stern leuchtet im Sternbild Centaurus und ist zu leuchtschwach, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Durch die Schwerkraft ist er schwach an den Doppelstern Alpha Centauri AB gebunden. Die beiden Sterne des Doppelsternsystems sind nur wenig weiter von uns entfernt als Proxima Centauri; zusammen bilden sie ein Dreifachsternsystem.

Die Suche nach Proxima b

Sternenhimmel um den hellen Doppelstern Alpha Centauri AB und den roten Zwergstern Proxima Centauri. Proxima Centauri ist mit etwa 4,2 Lichtjahren Entfernung der nächste Nachbarstern der Sonne. Alpha Centauri AB ist wenig weiter entfernt. Der blaue Saum um Alpha Centauri AB ist eine Folge der Bildverarbeitung. Tatsächlich erscheint der Stern ähnlich hellgelb wie die Sonne.

Sternenhimmel um den hellen Doppelstern Alpha Centauri AB und den roten Zwergstern Proxima Centauri. Proxima Centauri ist mit etwa 4,2 Lichtjahren Entfernung der nächste Nachbarstern der Sonne. Alpha Centauri AB ist wenig weiter entfernt. Der blaue Saum um Alpha Centauri AB ist eine Folge der Bildverarbeitung. Tatsächlich erscheint der Stern ähnlich hellgelb wie die Sonne. Credit: Digitized Sky Survey 2
Acknowledgement: Davide De Martin/Mahdi Zamani

Während des ersten Halbjahrs 2016 wurde Proxima Centauri mit dem HARPS-Spektrographen am 3,6m-Teleskop der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile beobachtet. Parallel dazu wurden weltweit Teleskope an der Beobachtung beteiligt. In dieser sogenannten Pale Red Dot Kampagne suchte ein Team von Astronomen nach winzigen Taumelbewegungen des Nachbarsterns, die den Zug der Schwerkraft eines umkreisenden Planeten verraten.

Das Astronomenteam leitete Guillem Anglada-Escudé von der Queen Mary University of London. Er erleutert den Hintergrund dieser Suche: „Die ersten Hinweise auf einen möglichen Planeten wurden 2013 entdeckt, aber die Messungen waren nicht überzeugend. Seitdem haben wir hart daran gearbeitet, weitere Beobachtungsdaten vom Boden aus zu bekommen, mit Hilfe der ESO und anderen. Die kürzlich durchgeführte Pale Red Dot Kampagne wurde zwei Jahre lang geplant.“

Die Daten der Pale Red Dot Kampagne wurden mit den Messdaten früherer Beobachtungen am ESO und anderen Observatorien kombiniert. In den Daten zeichnet sich folgendes Resultat klar ab: Zeitweise nähert sich Proxima Centauri uns mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 km/h, also mit etwa Marschgeschwindigkeit, zeitweise entfernt er sich wieder mit derselben Geschwindigkeit. Diese Änderung der Radialgeschwindigkeit wiederholt sich regelmäßig alle 11,2 Tage.

Pendelbewegung des Sterns Proxima Centauri hin zur Erde und zurück. Die regelmäßge Schwankung des Sterns wiederholt sich alle 11,2 Tage. Dadurch verrät sie den mit dieser Periode umlaufenden Planeten Proxima b. Die Radialgeschwindigkeit RV dieser Bewegung beträgt etwa Schrittgeschwindigkeit (um 5 km/h). Das ergibt regelmäßige Veränderungen im Lichtspektrum des Sterns, mit denen der Exoplanet nachgewiesen wurde: mindestens 1,3 Erdmassen, kreist etwa 7 Mio. km entfernt um Proxima Centauri (5% der Distanz Erde-Sonne).

Taumelbewegung des Sterns Proxima Centauri hin zur Erde und zurück. Die regelmäßge Schwankung des Sterns wiederholt sich alle 11,2 Tage. Dadurch verrät sie den mit dieser Periode umlaufenden Planeten Proxima b. Die Radialgeschwindigkeit RV dieser Bewegung beträgt etwa Schrittgeschwindigkeit (um 5 km/h). Das ergibt regelmäßige Veränderungen im Lichtspektrum des Sterns, mit denen der Exoplanet nachgewiesen wurde: mindestens 1,3 Erdmassen, kreist etwa 7 Mio. km entfernt um Proxima Centauri (5% der Distanz Erde-Sonne). Grafik: ESO/G. Anglada-Escudé

Geschwindigkeitsschwankungen des Sterns zeichnen sich in seinem Licht durch periodische Verschiebungen der Spektrallinien ab. Die sorgfältige Analyse dieser Daten deutet auf einen Planeten hin, der Proxima Centauri alle 11,2 Tage im Abstand von etwa 7 Millionen Kilometern umkreist: Proxima b. Der Exoplanet umkreist den roten Zwerg somit in nur 5 Prozent der Distanz Erde-Sonne. Die Masse des Planeten beträgt mindestens 1,3 Erdmassen.

Guillem Anglada-Escudé kommentiert die Aufregung der letzen fünf Monate: „Ich überprüfte die Stimmigkeit des Signals während der 60 Nächte der Pale Red Dot Kampagne jeden einzelnen Tag. Die ersten zehn waren verheißungsvoll, die ersten 20 entsprachen den Erwartungen und nach 30 Tagen war das Resultat ziemlich eindeutig. So begannen wir unsere wissenschaftliche Veröffentlichung zu entwerfen!“

Rote Zwerge wie Proxima Centauri sind aktive Sterne. Sie können ihre Strahlung so verändern, dass dies in den Beobachtungsdaten einen umkreisenden Planeten vortäuschen kann. Um diese Möglichkeit auszuschließen, beobachtete das Team die Helligkeitsschwankungen des Sterns mit weiteren Teleskopen. Messdaten zur Zeit von Helligkeitsänderungen des Sterns konnten auf diese Weise von der Datenanalyse ausgeschlossen werden.

In der lebensfreundlichen Zone

Umlaufbahnen im Vergleich. Rechts: Stern Proxima Centauri mit Exoplanet Proxima b. Links: Entsprechende Region im Sonnensystem. Proxima Centauri ist zwar kleiner, kühler und dunkler als die Sonne. Ihr Planet Proxima b umkreist den Stern allerdings viel enger als der Planet Merkur die Sonne. Daher liegt Proxima b innerhalb der habitablen Zone seines Stern, wo dank gemäßigter Temperaturen flüssiges Wasser existieren kann.

Umlaufbahnen im Vergleich. Rechts: Stern Proxima Centauri mit Exoplanet Proxima b. Links: Entsprechende Region im Sonnensystem. Proxima Centauri ist zwar kleiner, kühler und dunkler als die Sonne. Ihr Planet Proxima b umkreist den Stern allerdings viel enger als der Planet Merkur die Sonne. Daher liegt Proxima b innerhalb der habitablen Zone seines Stern, wo dank gemäßigter Temperaturen flüssiges Wasser existieren kann. Grafik: Y. Beletsky https://www.facebook.com/yuribeletskyphoto (LCO)/ESO/ESA/NASA/M. Zamani

Obwohl Proxima b seinen Stern wesentlich enger umkreist, als der Merkur die Sonne, ist der Stern wesentlich kühler als die Sonne. Proxima b kreist daher in der habitablen oder lebensfreundlichen Zone des Sterns. In diesem Entfernungsbereich ist es nicht zu heiß und nicht zu kalt, sodass dort flüssiges Wasser auf dem Exoplaneten existieren kann. Und flüssiges Wasser ist eine wesentliche Voraussetzung für Leben, zumindest wie wir es kennen. Ob es auf dem Planeten tatsächlich Wasser gibt, ist noch unbekannt. Die Planetenoberfläche wird stark von den Strahlungsausbrüchen des roten Zwergsterns. Sie treffen Proxima b wesentlich intensiver, als die Strahlungsausbrüche der Sonne die Erde treffen.

Inwieweit solche Planeten aktiver roter Zwergsterne überhaupt Wasser und erdähnliches Leben beherbergen können, wird unter Wissenschaftlern intensiv, bisher aber rein theoretisch diskutiert. Beispielsweise könnte die Atmosphäre des Exoplaneten aufgrund der stärkeren ultravioletten und Röntgenstrahlung des Sterns langsam verdampfen oder eine komplexere Chemie besitzen als die der Erde. Dies kann erst abgeschätzt werden, sobald die Planetenatmosphäre spektroskopisch untersucht wurde. Das Klima auf Proxima b wird sich jedenfalls deutlich vom irdischen unterscheiden und dürfte keine Jahreszeiten aufweisen. Denn der Planet dürfte aufgrund seiner sternnähe und der starken Schwerkräfte dem Stern immer dieselbe Seite zuwenden. Dieser Effekt ist auch bei unserem Mond zu sehen, der der Erde immer dieselbe Seite zeigt, in ähnlicher Form auch beim Merkur.

Beginn intensiver Forschung…

Die Entdeckung des Proxima b ist der Beginn eingehender Beobachtungen. Zunächst mit den bereits vorhandenen Observatorien, in einigen Jahren mit der nächsten Generation gigantischer Teleskope. Dazu wird auch das European Extremely Large Telescope (E-ELT) gehören, dessen Inbetriebnahme für 2024 anvisiert ist. Proxima b dürfte dann das Hauptziel für die Suche nach Leben außerhalb des Sonnensystems sein.

… und erstes Ziel interstellarer Raumfahrt

Das Alpha-Centauri-System wird auch das erste interstellare Ziel der menschlichen Raumfahrt sein. Es wird im StarShot-Projekt mit extrem miniaturisierten und von Lasersegeln angetriebenen Raumsonden anvisiert. Das Projekt befindet sich in der ersten Entwicklungsphase und soll die erste interstellare Mission innerhalb von etwa 20 Jahren ermöglichen.

Guillem Anglada-Escudé schlussfolgert: „Viele Exoplaneten wurden entdeckt und viel mehr werden noch entdeckt, aber die Suche nach dem nächsten potenziellen Gegenstück der Erde und ihr Erfolg war die wichtigste Erfahrung für uns alle. Die Lebenswege und Bemühungen vieler Menschen sind in dieser Entdeckung zusammengelaufen. Das Ergebnis ist ein Tribut an sie alle. Die Suche nach Leben auf Proxima b kommt als nächstes…“

Links

Pale Red Dot
http://palereddot.org

Guillem Anglada-Escudé et al.: A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri. Nature 536, 437–440, 25 August 2016, doi:10.1038/nature19106
http://www.nature.com/nature/journal/v536/n7617/full/nature19106.html

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