Vor einer Generation war die Idee eines Planeten, der einen fernen Stern umkreist, noch im Reich der Science-Fiction. Aber seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1988 haben wir Hunderte von ihnen gefunden, und die Entdeckungen kommen im Laufe der Zeit immer schneller.

Letzten Monat enthüllten NASA-Astronomen in einer einzigen Ankündigung die Entdeckung von 715 bisher unbekannte Planeten in Daten, die von der Kepler-Weltraumteleskop , wodurch die Gesamtzahl der bekannten Exoplaneten auf 1771 . Innerhalb dieser sind alle möglichen Exoplaneten : einige, die zwei Sterne umkreisen, einige, die voller Wasser sind, einige haben ungefähr die Größe der Erde und einige sind mehr als doppelt so groß wie Jupiter .

Aber die allermeisten all dieser fernen Planeten haben eines gemeinsam – mit wenigen Ausnahmen sind sie selbst mit unseren leistungsstärksten Teleskopen zu weit entfernt, um sie zu sehen. Wenn das der Fall ist, woher wissen Astronomen, dass sie dort sind?





In den letzten Jahrzehnten haben Forscher eine Vielzahl von Techniken entwickelt, um die vielen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu entdecken, die oft in Kombination verwendet werden, um die ursprüngliche Entdeckung zu bestätigen und mehr über die Eigenschaften des Planeten zu erfahren. Hier ist eine Erklärung der wichtigsten Methoden, die bisher verwendet wurden.

Transit



Stellen Sie sich vor, Sie sehen einen kleinen Planeten, der einen weit entfernten Stern umkreist. Gelegentlich kann der Planet zwischen Ihnen und seinem Stern hindurchgehen und einen Teil des Sternenlichts kurzzeitig blockieren. Wenn diese Verdunkelung mit ausreichender Häufigkeit erfolgt, können Sie möglicherweise auf die Anwesenheit des Planeten schließen, auch wenn Sie ihn nicht sehen können.

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(Bild über Wikimedia Commons/ Nikola Smolenski )

Dies ist im Wesentlichen die Transitmethode zur Entdeckung von Exoplaneten, die für die meisten unserer bisherigen Entdeckungen von Exoplaneten verantwortlich ist. Natürlich kann das bloße menschliche Auge bei weit entfernten Sternen keine Abschwächung der Lichtmenge, die wir sehen, zuverlässig erkennen. Daher verlassen sich Wissenschaftler auf Teleskope (insbesondere das Weltraumteleskop Kepler) und andere Instrumente, um sie zu sammeln und zu analysieren diese Daten.



Für einen Astronomen sieht das „Sehen“ eines entfernten Exoplaneten über die Transitmethode im Allgemeinen so aus:

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Die Lichtmenge eines entfernten Sterns, grafisch dargestellt, sinkt, wenn ein Planet zwischen ihm und uns hindurchgeht.(Bild über Wikimedia Commons/ Ich habe es selbst gezählt )

In einigen Fällen kann die Verdunkelung, die durch den Planeten zwischen seinem Stern und uns verursacht wird, Astronomen auch eine grobe Schätzung der Größe des Planeten liefern. Wenn wir die Größe eines Sterns und die Entfernung des Planeten von ihm kennen (letztere durch eine andere Nachweismethode, die Radialgeschwindigkeit, weiter unten auf dieser Liste bestimmt), und wir beobachten, dass der Planet einen bestimmten Prozentsatz des Lichts des Sterns blockiert, können wir Berechnen Sie den Radius des Planeten ausschließlich auf Grundlage dieser Werte.

Das Transitverfahren hat jedoch Nachteile. Ein Planet muss richtig ausgerichtet sein, um zwischen uns und seinem Stern zu gelangen, und je weiter er sich umkreist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit dieser Ausrichtung. Berechnungen zeigen, dass für einen erdgroßen Planeten, der seinen Stern in der gleichen Entfernung umkreist, wie wir unseren umkreisen (ungefähr 93 Millionen Meilen), es nur eine 0,47-prozentige Chance dass es richtig ausgerichtet ist, um eine Verdunkelung zu verursachen.

Die Methode kann auch zu einer hohen Anzahl von falsch positiven Ergebnissen führen – Episoden von Dimming, die wir als Transitplaneten identifizieren, aber letztendlich durch etwas ganz anderes verursacht werden. Eine Studie ergab, dass bis zu 35 Prozent der großen, eng umkreisenden Planeten, die in Kepler-Daten identifiziert wurden, könnten tatsächlich nicht existieren, und die Verdunkelung wird auf Staub oder andere Substanzen zwischen uns und dem Stern zurückgeführt. In den meisten Fällen versuchen Astronomen, mit dieser Methode gefundene Planeten mit anderen Methoden auf dieser Liste zu bestätigen.

Orbitale Helligkeit

In einigen Fällen führt ein Planet, der seinen Stern umkreist, dazu, dass die Lichtmenge, die die Erde erreicht, eher ansteigt als absinkt. Im Allgemeinen sind dies Fälle, in denen der Planet sehr eng umkreist, sodass er sich so stark erwärmt, dass er nachweisbare Mengen an Wärmestrahlung aussendet.

Obwohl wir diese Strahlung nicht von der des Sterns selbst unterscheiden können, wird uns ein Planet, der in der richtigen Ausrichtung kreist, in einer regelmäßigen Abfolge von Stadien (ähnlich den Mondphasen) ausgesetzt, also regelmäßig, periodisch Anstieg der Lichtmenge, die Weltraumteleskope von diesen Sternen empfangen, kann verwendet werden, um auf die Anwesenheit eines Planeten zu schließen.

Ähnlich wie bei der Transitmethode ist es mit dieser Technik einfacher, große Planeten zu entdecken, die in der Nähe ihrer Sterne kreisen. Obwohl bisher nur eine Handvoll Planeten allein mit dieser Methode entdeckt wurden, könnte dies langfristig die produktivste Methode sein, da kein Exoplanet direkt zwischen uns und dem Stern vorbeiziehen muss, damit wir ihn erkennen können Es eröffnet eine viel breitere Palette möglicher Entdeckungen.

Radialgeschwindigkeit

In der Grundschule wird uns beigebracht, dass ein Sonnensystem ein stationärer Stern ist, der von langsam kreisenden Planeten, Asteroiden und anderen Trümmern umgeben ist. Die Wahrheit ist jedoch etwas komplizierter: Durch die Anziehungskraft der Planeten wackelt auch der Stern ganz leicht vom Schwerpunkt des Systems weg:

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(Bild über Wikimedia Commons/ Zhatt )

Das Phänomen geht ungefähr so: Ein großer Planet, wenn er genug Masse hat, könnte den Stern zu sich ziehen, wodurch er sich vom genauen Zentrum des weit entfernten Sonnensystems entfernt. So können periodische, vorhersagbare und dennoch winzige Verschiebungen der Position des Sterns verwendet werden, um auf die Anwesenheit eines großen Planeten in der Nähe dieses Sterns zu schließen.

Astronomen haben sich dieses Phänomen zunutze gemacht, um Hunderte von Exoplaneten zu entdecken. Bis vor kurzem, als sie vom Transit übertroffen wurde, war diese Methode (als Radialgeschwindigkeit bezeichnet) für die Mehrheit der entdeckten Exoplaneten verantwortlich.

Es mag schwierig erscheinen, geringfügige Bewegungen in Hunderten von Lichtjahren entfernten Sternen zu messen, aber es stellt sich heraus, dass Astronomen aufgrund des Doppler-Effekt .

Der Effekt ist das Phänomen von Wellen (ob Schall, sichtbares Licht oder andere Formen elektromagnetischer Energie), die eine etwas höhere Frequenz haben, wenn sich das sie aussendende Objekt auf einen Beobachter zubewegt, und etwas niedriger, wenn es sich entfernt. Sie haben es hautnah miterlebt, wenn Sie jemals das hohe Heulen der Sirene eines herannahenden Krankenwagens gehört haben, die durch einen etwas tieferen Ton ersetzt wurde, während er wegfährt.

Ersetzen Sie den Krankenwagen durch einen entfernten Stern und das Geräusch einer Sirene durch das Licht, das er ausstrahlt, und Sie haben die Idee so ziemlich verstanden. Verwenden von Spektrometer , die die bestimmten Frequenzen des von einem Stern emittierten Lichts messen, können Astronomen nach scheinbaren Verschiebungen suchen, die darauf hinweisen, dass sich der Stern etwas näher an uns heranbewegt oder leicht wegdriftet.

Der Grad der Bewegung kann sogar die Masse des Planeten widerspiegeln. In Kombination mit dem Radius des Planeten (berechnet über die Transitmethode) kann dies den Wissenschaftlern ermöglichen, die Dichte des Planeten und damit seine Zusammensetzung zu bestimmen (wenn es sich beispielsweise um einen Gasriesen oder einen Gesteinsplaneten handelt).

Auch diese Methode unterliegt Einschränkungen: Es ist viel einfacher, einen größeren Planeten zu finden, der einen kleineren Stern umkreist, da ein solcher Planet einen größeren Einfluss auf die Bewegung des Sterns hat. Relativ kleine, erdgroße Planeten wären wahrscheinlich schwer zu erkennen, insbesondere auf weite Entfernungen.

Direkte Bildgebung

In einigen seltenen Fällen konnten Astronomen Exoplaneten auf einfachste Weise finden: indem sie sie sahen.

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Drei massereiche Planeten – wahrscheinlich größer als Jupiter – wurden 2010 direkt beim Orbit des Sterns HR8799 abgebildet. (Der Stern selbst ist mit a Koronagraph .(Bild über NASA / JPL-Caltech / Palomar-Observatorium )

Diese Fälle sind so selten aus ein paar Gründen. Um einen Planeten von seinem Stern unterscheiden zu können, muss er relativ weit von ihm entfernt sein (man kann sich beispielsweise leicht vorstellen, dass Merkur von weitem nicht von der Sonne zu unterscheiden wäre). Aber wenn ein Planet zu weit von seinem Stern entfernt ist, wird er nicht genug Licht des Sterns reflektieren, um überhaupt sichtbar zu sein.

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Exoplaneten, die mit Teleskopen am zuverlässigsten gesehen werden können, sind groß (wie Jupiter) und sehr heiß, sodass sie ihre eigene Infrarotstrahlung abgeben, die von Teleskopen erkannt und von ihren Sternen unterschieden werden kann. Planeten, die umkreisen Braune Zwerge (Objekte, die technisch nicht als Sterne klassifiziert werden, weil sie nicht heiß oder massiv genug sind, um Fusionsreaktionen zu erzeugen, und daher wenig Licht abgeben) können auch leichter nachgewiesen werden.

Direkte Bildgebung wurde auch verwendet, um einige besonders massive Schurkenplaneten planet – diejenigen, die frei durch den Weltraum schweben, anstatt einen Stern zu umkreisen.

Gravitationslinsen

Alle vorherigen Methoden auf dieser Liste sind für einen Nicht-Wissenschaftler auf einer intuitiven Ebene sinnvoll. Gravitationslinsen , verwendet, um eine Handvoll Exoplaneten zu entdecken, erfordert etwas abstrakteres Denken.

Stellen Sie sich einen sehr weit entfernten Stern vor und einen anderen Stern etwa auf halbem Weg zwischen ihm und der Erde. In seltenen Momenten könnten die beiden Sterne fast auf einer Linie stehen, fast überlappen sich am Nachthimmel. Wenn dies geschieht, wirkt die Schwerkraft des näheren Sterns wie eine Linse, die das einfallende Licht des entfernten Sterns vergrößert, wenn es in seiner Nähe vorbeikommt, um uns zu erreichen.

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Eine Simulation des Gravitationslinseneffekts, die zeigt, dass das Licht einer fernen Galaxie kurzzeitig durch ein Schwarzes Loch im Mittelgrund vergrößert wird.(Bild über Urbane Legende )

Wenn ein Stern mit einem nahen Planeten als Gravitationslinse dient, kann das Gravitationsfeld dieses Planeten einen leichten, aber nachweisbaren Beitrag zum Vergrößerungsereignis leisten. Also, in einige seltene Fälle Astronomen konnten auf die Anwesenheit entfernter Planeten schließen, indem sie das Licht noch weiter entfernter Sterne vergrößern.

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Ein Diagramm der Exoplaneten-Entdeckungen nach Jahr, wobei die Erkennungsmethode durch Farbe dargestellt wird. Grün = Transit, Blau = Radialgeschwindigkeit, Rot = Direktabbildung, Orange = Gravitationslinse.(Bild über Wikimedia Commons/ Aldaron )





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