Wol­ken­lose Rie­sen­pla­ne­ten, feh­len­de Gra­vi­ta­tions­wel­len und die große Leere

  • 28. December 2015

Jahresrückblick Astrophysik, Astronomie und Kosmologie 2015.

Auch in diesem Jahr standen Planeten bei anderen Sternen wieder im Zentrum des öffentlichen und wissenschaftlichen Interesses. Dabei geht es längst nicht mehr nur darum, immer wieder neue Exoplaneten aufzuspüren: Inzwischen hat die Erforschung der Eigenschaften dieser fernen Welten Fahrt aufgenommen – mit dem ultimativen Ziel, die Frage nach Leben im Kosmos zu beantworten.

Exoplanet

Abb.: Künstlerische Darstellung eines erdähnlichen Planeten auf einer engen Umlaufbahn um einen Zwergstern. (Bild: D. A. Aguilar, CfA)

Als besonders lohnend gelten dabei erdgroße Planeten auf engen Umlaufbahnen um Zwergsterne – nicht zuletzt, weil sie erheblich leichter nachzuweisen und zu beobachten sind, als Geschwister der Erde um sonnenähnliche Sterne. Allerdings vermuteten die Astronomen, erdähnlichen Planeten in den habitablen Zonen von roten Zwergen müssten aufgrund ihres geringen Abstands von ihrem Zentralstern gebunden rotieren – was dann eher ungünstig für die Entstehung und Entwicklung von Leben wäre. Doch es gibt Hoffnung: Wie Forscher der University of Toronto zeigten, reicht bereits der Einfluss einer vergleichsweise dünnen Atmosphäre ähnlich der irdischen aus, um zu einer asynchronen Rotation des Planeten und damit zu einem lebensfreundlicheren Klima zu führen.

Wie aber könnte man auf solchen Planeten Leben nachweisen? Bisherige Methoden hatten sich auf indirekte Spuren von Leben konzentriert – etwa die Auswirkungen, die Leben auf die Zusammensetzung der Atmosphäre hat. Wird die Oberfläche eines Exoplaneten allerdings von einer bestimmten Lebensform dominiert, könnte ein direkter Nachweis von Leben möglich sein: anhand des Lichts, das von Organismen reflektiert wird und dabei eine charakteristische Färbung annimmt.

Astronomen und Biologen haben sich zusammengetan, die Vielfalt der Möglichkeiten solcher chemischer Fingerabdrücke zu erkunden. Der Nachweis solcher chemischen Fingerabdrücke von Organismen auf einer Planetenoberfläche stellt allerdings selbst für die nächste Generation von Teleskopen eine beachtliche Herausforderung dar. Derzeit ist es nicht möglich, reflektiertes Licht eines Exoplaneten von ähnlicher Größe wie der Erde zu beobachten.

Bei einem Riesenplaneten dagegen ist es erstmals gelungen, reflektiertes Sternenlicht nachzuweisen. Mit dem Spektrografen HARPS am La-Silla-Observatorium der ESO in Chile gelang es, das Spektrum des heißen Jupiters 51 Pegasi – des ersten Planeten, der um einen sonnenähnlichen Stern entdeckt wurde – aufzunehmen. Aus diesem Spektrum lassen sich Eigenschaften des Planeten ableiten, die mit anderen Methoden nicht nachweisbar sind. So zeigte sich, dass 51 Pegasi b eine Masse von etwa der Hälfte der Jupitermasse besitzt und eine Bahnneigung von etwa neun Grad in Richtung der Erde aufweist. Außerdem scheint der Planet im Durchmesser größer als Jupiter und stark reflektierend zu sein.

Und auch über die Atmosphären heißer Jupiter konnten Astronomen inzwischen neue Erkenntnisse sammeln. Eine systematische Untersuchung von zehn heißen Jupitern belegt, dass ihre Atmosphären erheblich vielfältiger sind als zuvor angenommen. Sie sind keineswegs immer in dichte Wolken gehüllt, sondern können auch relativ klare Atmosphären aufweisen. Dabei zeigte sich, dass der Bewölkungsgrad mit der spektralen Stärke von Wasser korreliert. Diese Beobachtung löst zugleich das Rätsel, warum einige heiße Jupiter unerwartet wenig Wasser zu besitzen scheinen: Das Wasser ist sehr wohl vorhanden, es ist lediglich durch dichte Wolken verborgen.

Wo sind die Gravitationswellen?

Weit weniger erfolgreich als die Suche nach Exoplaneten ist bislang die Suche nach Gravitationswellen. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt ihre Existenz voraus und indirekte Indizien – die Abnahme der Bahnenergie bei engen Paaren aus Neutronensternen und weißen Zwergen – bestätigen diese Vorhersage. Doch ein direkter Nachweis steht bislang aus. Mit großen Detektoranlagen wie Geo-600, VIRGO und LIGO auf der Erde versuchen die Forscher, diese Schwingungen der Raumzeit aufzuspüren – trotz jahrelanger Suche bislang ohne Erfolg.

Abb.: Kollidierende Schwarze Löcher senden Gravitationswellen aus; Ausschnitt aus einer Computersimulation. (Bild: M. Koppitz / AEI)

Abb.: Kollidierende Schwarze Löcher senden Gravitationswellen aus; Ausschnitt aus einer Computersimulation. (Bild: M. Koppitz / AEI)

Bereits in den 1970er Jahren kam die Idee auf, eine genaue Überwachungen der Ankunftszeiten von Pulsar-Signalen – Pulsar Timing Arrays genannt – als Detektoren für Gravitationswellen zu nutzen. Doch erst mit der Jahrtausendwende hat die Technik einen Stand erreicht, der solche Messungen mit der notwendigen Genauigkeit möglich macht. Inzwischen laufen international drei solcher Projekte, am längsten das im März 2005 gestartete Parkes Pulsar Timing Array am 64 Meter großen Parkes-Radioteleskop in Australien. Die elfjährige Überwachung von insgesamt 24 Millisekunden-Pulsaren sollte Gravitationswellen von doppelten supermassereichen schwarzen Löchern mit Umlaufperioden von 0,1 bis 30 Jahren nachweisen können. Doch gefunden haben die Parkes-Forscher nichts. Ist also die Allgemeine Relativitätstheorie falsch? Das ist zwar eine mögliche Ursache für das negative Ergebnis, wahrscheinlicher ist indes, dass die Modelle für die Entwicklung von Galaxien und schwarzen Löcher korrigiert werden müssen.

Nach den heutigen Vorstellungen der Astrophysiker entstehen große Galaxien sukzessive durch die Kollision und Verschmelzung kleinerer Sternsysteme. Dieses Modell sagt die Existenz vieler doppelter supermassereicher schwarzer Löcher mit Abständen zwischen einem Hundertstel Lichtjahr und einigen wenigen Lichtjahren voraus. Aber gibt es diese Doppel-Löcher tatsächlich? Mithilfe eines neuen statistischen Verfahrens durchforstete ein Forscherteam die vom Catalina Real-time Transient Survey über einen Zeitraum von neun Jahren gelieferten Daten von 247.000 Quasaren nach periodischen Helligkeitsänderungen, wie sie für doppelte schwarze Löcher zu erwarten wären. Insgesamt zwanzig Objekte erfüllten die Auswahlkriterien für ein starkes periodisches Signal. Das stärkste Signal fanden die Forscher bei PG 1302-102, einem Quasar mit einer Rotverschiebung von 0,2784. Damit wäre zumindest dieses Objekt tatsächlich eine gute Quelle von Gravitationswellen für ein Pulsar Timing Array.

Hier sind die Zwerggalaxien!

Nicht nur nach Gravitationswellen suchen die Astrophysiker verzweifelt, auch fehlende Zwerggalaxien stellen die Forscher vor ein Rätsel. Denn es scheint viel weniger von den kleinen Sternensystemen zu geben, als Computersimulationen im Rahmen des von den meisten Astrophysikern bevorzugten und auch durch die genauen Messungen des Astronomie-Satelliten Planck bestätigten kosmologischen Standardmodells vorhersagen. Doch im März berichteten Forscher des Dark Energy Survey über die Entdeckung von insgesamt neun extrem leuchtschwachen, ausgedehnten Objekten im Umfeld der beiden Satellitengalaxien unserer Milchstraße. Drei davon mit Entfernungen von 97.000 bis 1,2 Millionen Lichtjahren konnten die Forscher aufgrund ihrer Morphologie bereits eindeutig als Zwerggalaxien klassifizieren. Diese überraschende Entdeckung deutet nun auf eine einfachere Erklärung: Die vermeintlich fehlenden Zwerggalaxien wurden einfach nur übersehen, weil sie so schwach leuchten.

Während damit ein kosmologisches Problem beseitigt wäre, hat sich ein anderes mit hoher Signifikanz durch die Messungen des ESA-Satelliten­Observatoriums Planck bestätigt: der „Cold Spot“, eine siebzig Mikrokelvin kühlere Region im Sternbild Eridanus. Die typischen Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung betragen lediglich 18 Mikrokelvin. Während die Existenz der Anomalie inzwischen unstrittig ist, herrscht über ihre Ursache keine Einigkeit. Letztlich nicht einmal darüber, ob es überhaupt einer Ursache bedarf: Es könnte sich schlicht um einen statistischen Ausreißer in der Gaußverteilung der Temperaturschwankungen handeln.

Das große Bild zeigt die vom Satelliten-Observatorium Planck gemessenen Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die kleinen Bilder zeigen (rechts) vergrößert den Cold Spot und (links) die Galaxiendichte in der Umgebung des Cold Spots. (Bild: Gergő Kránicz / ESA Planck Coll.)

Abb.: Das große Bild zeigt die vom Satelliten-Observatorium Planck gemessenen Temperatur­schwankungen der kosmischen Hinter­grund­strahlung. Die kleinen Bilder zeigen (rechts) vergrößert den Cold Spot und (links) die Galaxiendichte in der Umgebung des Cold Spots. (Bild: Gergő Kránicz / ESA Planck Coll.)

Eine dreidimensionale Karte der Galaxienverteilung in der Region um den Cold Spot, erstellt aus Daten des Teleskops Pan-STARRS1, sowie des Satelliten-Observatoriums „Wide Field Survey Explorer“ WISE, zeigt nun jedoch eine signifikant geringere Galaxiendichte in einer 1,4 Milliarden Lichtjahre durchmessenden Region, deren Zentrum etwa drei Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. In dieser Eridanus-Supervoid ist die Galaxiendichte um 15 Prozent geringer als im kosmischen Durchschnitt. Das reicht allerdings nicht aus, um den Cold Spot zu erklären. Weitere Untersuchungen müssen nun zeigen, ob die Struktur vielleicht noch größer ist und deshalb auch einen entsprechenden größeren Einfluss auf die Hintergrundstrahlung hat – und ob sich eine solche große Struktur mit dem kosmologischen Standardmodell in Einklang bringen lässt.

Rainer Kayser

OD

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