Porträt eines Exoplaneten

Astronomen gelingt mit dem Instrument GRAVITY die erste direkte Beobachtung von Beta Pictoris c

Die allermeisten Planeten bei fremden Sternen entdecken die Astronomen mithilfe ausgeklügelter Methoden. Dabei erscheint der Exoplanet nicht im Bild, sondern verrät sich indirekt im Spektrum. Jetzt ist einem Team mit Wissenschaftlern aus den Max-Planck-Instituten für Astronomie sowie für extraterrestrische Physik die erste direkte Bestätigung für einen Exoplaneten gelungen, der zuvor mit dem Verfahren der Radialgeschwindigkeitsmessung entdeckt worden war: Das schwache Leuchten des rund 63 Lichtjahre von der Erde entfernten Planeten Beta Pictoris c ließ sich mit dem Very Large Telescope in Chile und dem daran angeschlossenen Instrument GRAVITY neben den hellen Strahlen seines Muttersterns beobachten. Daraus können die Forschenden nun sowohl die Helligkeit als auch die dynamische Masse eines Exoplaneten ableiten und so die Entstehungsmodelle dieser Objekte besser eingrenzen.

Fremde Welten: Diese schematischen Ansichten geben die Geometrie des Beta Pictoris-Systems wieder. Links im Bild der Stern und die beiden in einer Staubscheibe eingebetteten Planeten in der Orientierung, wie sie vom Sonnensystem aus sichtbar sind. Diese Ansicht wurde auf der Basis tatsächlicher Beobachtungsdaten erstellt. Das mittlere Bild zeigt eine künstlerische Darstellung der Planeten und der Scheibe. Das Bild rechts verdeutlicht die Dimensionen des Systems in der Sicht von oben und frühere Beobachtungen von Beta Pictoris b (orangefarbene Rauten und rote Kreise) sowie die neuen direkten Beobachtungen von Beta Pictoris c (grüne Kreise). Die genaue Umlaufbahn des Planeten c ist noch etwas unsicher (unscharfer weißer Bereich).

Der Stern Beta Pictoris ist der zweithellste in der Konstellation Maler am Südhimmel und besitzt zwei bekannte Planeten, Beta Pictoris b und Beta Pictoris c. Letzterer umkreist seinen Mutterstern auf einer derart engen Umlaufbahn, dass ihn selbst die besten Teleskope der Welt bisher nicht direkt abbilden konnten. Vor einigen Jahren wurde er mit einer indirekten Methode entdeckt, der Radialgeschwindigkeitsmessung.

Weil der Planet an seinem Mutterstern zerrt wie ein angeleinter Hund an seinem Herrchen, macht der Stern sozusagen Ausfallschritte, das heißt, mit einer bestimmten Geschwindigkeit periodische Bewegungen. Diese zeigen sich an einer minimalen Verschiebung der Spektrallinien – was wiederum Rückschlüsse auf die Existenz des Planeten erlaubt.

Mit dieser Methode haben die Astronomen seit Jahrzehnten Hunderte von Exoplaneten aufgespürt, aber eben nur indirekt. „Dies ist die erste direkte Bestätigung eines Planeten, der mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt wurde“, sagt Sylvestre Lacour, Leiter des Programms ExoGRAVITY. Der Name spielt auf das Instrument GRAVITY an, das sich in einem Labor unter den vier Acht-Meter-Spiegeln des Very Large Telescope in den chilenischen Anden befindet. GRAVITY kombiniert das von den einzelnen Fernrohren aufgefangene Licht und erzeugt damit ein virtuelles Teleskop sehr hoher Auflösung. Diese war nötig, um Beta Pictoris c abzubilden.

„Es ist erstaunlich, welche Detailgenauigkeit und Empfindlichkeit wir mit GRAVITY erreichen können“, sagt Frank Eisenhauer, der leitende Wissenschaftler des Projekts am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. „Wir fangen gerade erst an, atemberaubende neue Welten zu erforschen, vom supermassereichen schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxis bis hin zu Planeten außerhalb des Sonnensystems.“

Der direkte Nachweis von Beta Pictoris c war allerdings nur möglich, weil neue Radialgeschwindigkeitsdaten seine Bahnbewegung genau festlegen. Dies ermöglichte es dem Team, die erwartete Position des Planeten vorherzusagen, sodass GRAVITY in der Lage war, ihn tatsächlich aufzuspüren.

Beta Pictoris c ist der erste Planet, der mit beiden Methoden – der indirekten Messung und der direkten Beobachtung – entdeckt und bestätigt wurde. Zusätzlich zum unabhängigen Nachweis des Exoplaneten können die Astronomen nun das Wissen aus diesen beiden bisher getrennten Verfahren zusammenführen. „Jetzt können wir sowohl die Helligkeit als auch die Masse dieses Exoplaneten herausfinden“, sagt Mathias Nowak, der Hauptautor der Veröffentlichung, in der die Entdeckung mit GRAVITY beschrieben wird. Und: „Im Allgemeinen gilt, je massereicher der Planet desto leuchtkräftiger.“

Im aktuellen Fall sind die Daten über die beiden Planeten jedoch etwas rätselhaft: Beta Pictoris c leuchtet sechsmal schwächer als sein größerer Bruder Beta Pictoris b. Dabei hat Beta Pictoris c die achtfache Masse des Jupiters in unserem Sonnensystem. Wie massereich ist also Beta Pictoris b? Radialgeschwindigkeitsdaten werden diese Frage beantworten können, aber es wird lange dauern, um genügend Daten zu sammeln: Eine volle Umlaufbahn des Planeten b um seinen Stern dauert 28 Erdjahre.

„Bereits aus früheren Messungen, bei denen wir mit GRAVITY für andere Exoplaneten Spektren aufgenommen haben, konnten wir bestimmte Rückschlüsse auf die Entstehungsprozesse der Planeten ziehen“, sagt Paul Mollière, der am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg die Spektren von Exoplaneten modelliert. „Aber diese Kombination aus Helligkeitsmessung und Massenbestimmung für Beta Pictoris c ist ein besonders wichtiger Schritt, um die Modelle der Planetenentstehung auf die Probe zu stellen“, so Mollière. Weitere Daten könnte auch GRAVITY+ liefern, ein Instrument der nächsten Generation, das gerade entwickelt wird.

HAE / HOR

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