Was von Exoplaneten reflektierte Strahlung verraten könnte

Seit der Entdeckung des ersten Planet außer­halb unseres Sonnen­systems im Jahr 1995 haben Astronomen über 4000 solcher Exoplaneten aufgespürt. Unbeantwortet bleibt jedoch die Frage, ob es Leben in den Planeten­systemen um andere Sterne gibt. Ein Forschungs­team der Uni Kiel hat jetzt ein umfang­reiches Simulations­verfahren entwickelt, das Rück­schlüsse auf die Eigen­schaften von Exoplaneten aus der von ihnen reflek­tierten Strahlung zulässt. Es schafft die Grund­lage für zukünftige Observa­torien und Beobachtungs­instrumente, mit denen man Antworten auf die Frage nach Leben auf anderen Planeten einen Schritt näher­kommen könnte.

„Die Antwort auf die Frage nach Leben außer­halb unseres Sonnen­systems hätte sicher­lich weit­reichendere Folgen für unser kosmisches Selbst­verständnis als alles andere, was wir bisher über das Universum heraus­gefunden haben“, sagt Sebastian Wolf von der Uni Kiel. Da die Entfernungen jedoch viel zu groß sind, um Raum­sonden zu den Exoplaneten zu schicken, bleibt nur die Möglich­keit, die Strahlung der Exoplaneten mit entsprechenden Observa­torien und Beobachtungs­instrumenten zu beobachten.

Planeten reflektieren die Strahlung ihres Zentral­sterns, den sie – wie unsere Erde die Sonne – umkreisen. Daraus lassen sich Infor­ma­tionen über die physikalischen und chemischen Eigen­schaften ihrer Atmo­sphäre, Land­massen und Ozeane ableiten. Sie könnten Antworten geben auf Fragen wie: Besitzt der Planet eine Atmo­sphäre und woraus besteht sie, wie ausgeprägt ist sie? Gibt es Wolken und über­decken sie den gesamten Planeten? Sind die Land­massen wüsten­artig oder mit Schnee oder Vegetation bedeckt? Existieren Ozeane und Wellen, die Einblicke in die Wechsel­wirkung von Atmo­sphäre und Ozean geben könnten? Hat der Planet Satelliten oder Ringe?

Doch nicht nur die Entschlüsselung dieser Infor­ma­tionen gestaltete sich bislang als schwierig. Auch das schwache Licht der Exoplaneten, die zusätzlich auch noch von ihren Zentral­sternen über­strahlt werden, erschwert die Beobachtung. Vor diesem Hinter­grund hat Moritz Lietzow von der Uni Kiel ein Simulations­verfahren entwickelt, mit dem sich neben der reflek­tierten Strahlung auch ihre Polari­sation auf bisher umfang­reichste und genaueste Weise berechnen lässt. Für die Erforschung von Exoplaneten wird die Polari­sation in Zukunft eine wichtige Rolle spielen, da in ihr Eigen­schaften des von ihm reflek­tierten Lichts verschlüsselt sind. „Das wiederum lässt Rück­schlüsse auf die grund­legende Beschaffen­heiten von Exoplaneten zu, die uns ansonsten verborgen blieben,“ so Lützow.

Auch ein anderes Problem soll mit dem neuen Verfahren entschärft werden: Häufig lässt die Analyse des einfachen Licht­spektrums keine ein­deutigen Aussagen zu. Zieht man die Polari­sation als zweiten Faktor hinzu, sollen in Zukunft klare Aussagen zu der Beschaffen­heit der Ober­fläche und Atmo­sphäre von Exoplaneten möglich werden.

„Noch steckt die tatsächliche Beobachtung extra­solarer Planeten im polari­sierten Licht in den Kinder­schuhen. Das hier entwickelte Simulations­verfahren kann aber eine wichtige Doppel­rolle einnehmen und so die Entwick­lung dieses Forschungs­gebietes entscheidend voran­treiben“, so Wolf. Zum einen wird es Vorher­sagen zu dem erwarteten Polari­sations­signal von Exoplaneten erlauben. Hieraus lassen sich Vorgaben für den Bau neuer, speziell für diese Messungen designter Beobachtungs­instrumente ableiten. Zum anderen wird hiermit die Grund­lage für die Analyse zukünftiger Beobach­tungen geschaffen, mit der man der Antwort nach Leben auf Exoplaneten – mindestens – etwas näher­kommen wird, so die Über­zeugung des Forschungs­teams.

CAU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Lietzow, S. Wolf & R. Brunngräber: Three-dimensional continuum radiative transfer of polarized radiation in exoplanetary atmospheres, Astron. Astroph. 645 A146 (2021); DOI: 10.1051/0004-6361/202038932
• AG Stern- und Planetenentstehung, Exoplaneten (S. Wolf), Institut für theoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel