Sonnenschirm hilft bei der Suche nach einer zweiten Erde

Von: mk

Innsbruck – Die Beobachtung von Exoplaneten bringt einige Herausforderungen mit sich. Insbesondere Planeten, die der Erde ähneln, sind sehr schwer zu untersuchen, da sie nur schwach leuchten und von ihrem zugehörigen Stern überstrahlt werden. Nun hat ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Stefan Kimeswenger, Astrophysiker an der Universität Innsbruck, einen neuen Ansatz untersucht: Ein großes, erdbasiertes Teleskop soll mit einem im Weltraum kreisenden „Sonnenschirm“ kombiniert werden, der das Licht des Sterns gezielt ausblendet.

Wie wahrscheinlich sind bewohnbare Exoplaneten, also erdähnliche Planeten außerhalb unseres Sonnensystems? Diese Frage steht hinter einer großangelegten Machbarkeitsstudie, an der unter anderem die Nobelpreisträger Michel Mayor und John Mather mitgewirkt haben. Mittels umfangreicher Berechnungen wurde ein Ansatz entwickelt, um Exoplaneten auf lebensnotwendige Moleküle wie Wasser und Sauerstoff zu untersuchen. Die Schwierigkeiten dabei sind zahlreich: Neben der großen Entfernung solcher Planeten ist es vor allem die Tatsache, dass diese um ihre eigene „Sonne“ kreisen. „Selbst ein noch so großes Teleskop reicht nicht für die Beobachtung erdähnlicher Exoplaneten aus, denn diese leuchten selbst nur schwach und werden immer von ihrem Mutterstern überstrahlt“, erklärt Stefan Kimeswenger, Astrophysiker an der Universität Innsbruck und Mitautor der Studie.

Aus diesem Grund schlagen die Autorinnen und Autoren der Studie eine Kombination von am Boden befindlichen Teleskopen mit einem um die Erde kreisenden Beschattungs-Satelliten vor. Hierbei ist Präzision gefragt: Nach den Berechnungen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müsste dieser Abschirmkörper einen Durchmesser von 99 Metern haben und auf einer Höhe von nahezu 200.000 Kilometern mit einer Genauigkeit von zwei Metern an einer passenden Position in der Umlaufbahn der Erde platziert werden. Und: Ein solcher „Starshade“ muss die Form einer Blume mit rund 30 Blütenblättern aufweisen. Kimeswenger erläutert: „Man kann nicht einfach eine kreisförmige Blende verwenden, denn dann wäre die Beugung des Lichts am Kreisrand fast genauso hell wie der Stern, den man eigentlich verdunkeln möchte.“ Mit einem Rand aus spitz zulaufenden Blütenblättern verteilen sich hingegen die Beugungseffekte in viele Richtungen und löschen sich zum großen Teil gegenseitig aus. Gemeinsam mit einem hochleistungsfähigen Teleskop, etwa dem Extremely Large Telescope, welches derzeit in Chile gebaut wird, würde ein solcherart geformter Starshade dann zum „Hybrid Observatory for Earth-like Exoplanets“ (HOEE) kombiniert. Laut den Modellrechnungen der Studienautor:innen könnte man mit diesem Set-up genügend Licht einfangen, um Rückschlüsse auf die Beschaffenheit eines erdähnlichen Exoplaneten zu ziehen.

Nachweis von Wasser und Sauerstoff theoretisch möglich

Will man herausfinden, welche Atome und Moleküle in der Atmosphäre eines Himmelskörpers vorkommen, untersucht man das Spektrum des von diesem Himmelskörper ausgesandten Lichts. Denn wenn Licht auf bestimmte Moleküle trifft, verändert sich sein Spektrum auf charakteristische Weise. Auch bei der Suche nach erdähnlichen Exoplaneten kommt diese Methode zum Einsatz. Stefan Kimeswenger von der Universität Innsbruck zeigte in der aktuellen Studie, dass mit der vorgestellten Kombination aus Starshade und Teleskop eine spektroskopische Untersuchung eines Exoplanten auf Wasser und Sauerstoff theoretisch möglich wäre. Von zentraler Bedeutung ist hier die genaue Charakterisierung der Erdatmosphäre. „Die Erdatmosphäre enthält selbst Wasser und Sauerstoff, deshalb wird das Licht beim Eintritt in die Erdatmosphäre noch einmal genau in der Wellenlänge verändert, in der man eine Veränderung sucht“, schildert Kimeswenger. Schon vor einigen Jahren hat er deshalb gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern ein Verfahren entwickelt, um die Einflüsse der Erdatmosphäre auf die Strahlung, die von einem astronomischen Objekt kommt, herauszurechnen.

Fahrplan für die Umsetzung wird erarbeitet

Aufbauend auf der positiven Machbarkeitsanalyse will das Team nun einen strategischen Fahrplan für die mögliche Umsetzung erarbeiten. Voraussetzung dafür wären entsprechende Finanzierungsentscheidungen internationaler Raumfahrtagenturen wie ESA und NASA. In jedem Fall ist ein solches Vorhaben jedoch langfristig angelegt: Angesichts der üblichen Entwicklungs- und Planungszeiträume großer wissenschaftlicher Missionen wäre eine Realisierung frühestens ab etwa 2045 denkbar. „Projekte dieser Art erfordern einen langen Atem“, so Kimeswenger. „Unsere Arbeit zeigt, dass das Konzept grundsätzlich umsetzbar ist. Der nächste Schritt ist, die internationale Gemeinschaft dafür zu gewinnen.“