Science-Fiction-Autoren haben es schon immer gewusst: Die Milchstraße ist voller wunderbarer rätselhafter Planeten. Tatsächlich ist die Wirklichkeit, so hat sich in den letzten Jahren gezeigt, noch viel fantastischer. Anders als in den Weltraum-Opern, in denen sich vor allem Abziehbilder der Erde tummeln, vom Waldmond bis zum Wüstenplaneten, kreisen in der Realität seltsame Exoten um die Sterne der solaren Nachbarschaft: zum Beispiel aufgeplusterte Gasbälle, deren Dichte geringer ist als die von Kork. Oder von Lava bedeckte Super-Erden mit Wolken aus verdampftem Gestein. Auch eine Wasserwelt wurde entdeckt: doppelt so groß wie die Erde, vermutlich mit einer dichten, heißen Atmosphäre. Es gibt Planeten mit langgestreckten, elliptischen Bahnen, wie man sie im Sonnensystem nur von Kometen kennt. Andere Planeten kreisen andersherum um den Stern als dieser um sich selbst. Auch das gibt es in unserem Sonnensystem nicht.

„Bei Exoplaneten scheint alles möglich zu sein, was die Gesetze der Chemie und Physik erlauben”, sagt Sara Seager, Astronomie-Professorin am Massachusetts Institute of Technology, eine Pionierin der Exoplanetenforschung. Mehr als 450 Planeten in fremden Sonnensystemen haben Astronomen seit 1995 entdeckt. In den ersten Jahren stießen die Planetenjäger wegen ihrer beschränkten Suchmethoden (siehe Kasten „Vier Wege, um ferne Planeten aufzuspüren”) vor allem auf sogenannte Heiße Jupiter: Riesige Gasplaneten, die ihre Sonnen in extrem geringem Abstand umkreisen und dadurch auf über 1000 Grad Celsius aufge heizt werden. Doch inzwischen haben die Forscher ihre Augen geschärft. Sie spüren immer mehr kleine Welten auf. Und während sie früher gerade mal Masse und Umlaufbahn eines gefundenen Planeten bestimmen konnten, messen sie heute bei manchen auch den Durchmesser. Damit können sie die Dichte ausrechnen und Schlüsse über die Zusammensetzung ziehen. Sie haben sogar Licht von gut zwei Dutzend Planeten eingefangen und dadurch Gase in der Atmosphäre nachgewiesen sowie Temperaturen ermittelt.

WELTEN WIE AUS einem FANTASY-FILM

Der größte Star im Reich der extrasolaren Planeten ist derzeit Corot-7 b – eine Gesteinskugel, die nur etwa doppelt so groß ist wie die Erde. „Dort gibt es Seen und Tümpel aus flüssigem Magma”, nimmt Sara Seager an. Weil der Planet nur 2,6 Millionen Kilometer Abstand zu seinem Stern hat – Merkur, der innerste Planet des Sonnensystems, ist mehr als 20 Mal so weit von der Sonne entfernt –, ist seine Oberfläche über 2000 Grad Celsius heiß. Ein Team um Didier Queloz vom Observatorium Genf fand heraus, dass Corot-7 b ungefähr die gleiche Dichte wie die Erde hat und daher vermutlich größtenteils aus Silikatgestein besteht. Weil die Gezeitenkräfte seiner orangefarbenen Zwergsonne den Planeten immer wieder kräftig durchkneten, ist er wahrscheinlich von Vulkanen übersät, vergleichbar mit dem Jupiter-Mond Io.

Das Seltsamste dürfte allerdings seine Atmosphäre sein: Sie besteht womöglich aus verdampftem Gestein und setzt sich unter anderem aus Natrium, Kalium, Siliziumoxid und Sauerstoff zusammen. Wenn diese Dämpfe nach oben steigen und abkühlen, kondensieren Mineralien aus. „Statt einer Wasserwolke, aus der Wassertropfen regnen, bilden sich Gesteinswolken, aus denen Kiesel herabfallen”, vermutet Bruce Fegley von der University of Washington, der ein Modell der Atmosphäre von Corot-7 b erstellt hat.

FREMDE WasserPLANETEN

Reichlich Wasser gibt es vermutlich auf dem Planeten GJ 1214 b, der zweiten Super-Erde nach Corot-7 b, deren Dichte bestimmt wurde. Forscher um David Charbonneau von der Harvard University meldeten im Dezember 2009, dass GJ 1214 b kaum schwerer ist als Corot-7 b, aber einen deutlich größeren Durchmesser hat. Der Planet könnte Berechnungen von Sara Seager zufolge zur Hälfte aus Wasser bestehen. Es könnte sich aber auch um einen Mini-Neptun mit hohem Anteil an Wasserstoff und Helium handeln, oder um einen Gesteinsplaneten mit dicker Wasserstoff-Hülle. Da sein Heimatstern ziemlich schwach leuchtet, liegt die Oberflächentemperatur des Planeten trotz seines geringen Bahnradius bei etwa 200 Grad Celsius. Das ist nur wenig heißer als die Temperatur, ab der irdisches Leben möglich ist (120 Grad). Wegen des hohen Drucks dürfte es auf dem Planeten allerdings keinen Ozean geben, sondern nur Eis in speziellen Hochdruckvarianten. „Zwischen der dichten Atmosphäre und dem Eis liegt das Wasser wahrscheinlich im überkritischen Zustand vor: Es ist weder richtig flüssig noch richtig gasförmig”, erklärt Sara Seager. An der 200 Kilometer dicken Lufthülle nagt zudem der Sternenwind des Roten Zwergs Gliese 1214. In spätestens 700 Millionen Jahren wird die Gashülle von GJ 1214 b verschwunden sein, berechneten die Forscher um Charbonneau.

SCHON 20 SUPER-ERDen

Bislang sind etwa 20 Planeten in der Gewichtsklasse der Super-Erden bekannt, mit einer Masse vom Zwei- bis Zehnfachen der Erde. Für diese Welten gibt es in unserem Sonnensystem kein Beispiel. Abgesehen von gewaltigen Gesteinskugeln könnten Ozean-Planeten darunter sein oder Kanonenkugel-Planeten aus reinem Eisen. Sehr exotisch wären auch Welten, die überwiegend aus Kohlenstoff bestehen. Solche Planeten enthielten vor allem Siliziumkarbid – eine extrem harte Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff – und nicht Silizium-Sauerstoff-Verbindungen (Silikate) wie die Erde. Einige könnten auch einen Mantel aus purem Kohlenstoff besitzen. „Dann dürfte unter ihrer Oberfläche eine Diamantschicht liegen”, sagt Sara Seager. „Aber wahrscheinlich wären diese Planeten schwer zu identifizieren, weil ihre Dichte der von erdähnlichen Silikat-Planeten ähnelt.”

Nur eine Einzige der bisher bekannten Super-Erden könnte theoretisch erdähnliches Leben beherbergen. Es handelt sich um den acht Erdmassen schweren Plane-ten Gl 581 d. 2007 hatten Forscher um Sté- phane Udry vom Genfer Observatorium zunächst verkündet, die leichtere Nach-barwelt Gl 581 c sei eine zweite Erde, was für großen Medienwirbel sorgte. Später stellte sich heraus, dass Planet c zu heiß ist, während dessen äußerer Nachbar, der Planet d, seine Bahn innerhalb der Zone des Lebens zieht.

EXZENTRIKER IM ALL

Inzwischen ist außerdem klar, dass Planet d eine relativ exzentrische Bahn hat, und sein Abstand zur kleinen roten Zwergsonne zwischen 20 und 40 Millionen Kilometern schwankt. Für mögliche Lebewesen könnte das ein Vorteil sein. Hätte der Planet nämlich eine kreisrunde Bahn, würde er seiner Sonne immer die gleiche Seite zuwenden, ähnlich wie der Mond der Erde. Auf der einen Halbkugel wäre ewiger Tag, während die Rückseite für immer in frostiger Nacht erstarrt wäre. Doch auf einer exzentrischen Bahn kann ein Stern einen Planeten nicht so fest an sich binden. Gl 581 d dreht sich also vermutlich so, dass seine gesamte Oberfläche periodisch in den Genuss von Tageslicht kommt. Doch bislang sind alle Überlegungen zur Bewohnbarkeit von Gl 581 d reine Spekulation – niemand hat diese fremde Welt jemals gesehen oder ihre Zusammensetzung auch nur indirekt bestimmen können.

„Die Antwort auf die alte Frage ‚Sind wir allein?‘ bleibt das ultimative Ziel der Exoplanetenforschung”, unterstreicht Sara Seager. Der einzige Weg, das zu klären, besteht nach Meinung der Forscherin darin, in den Atmosphären fremder Welten nach Lebenssignaturen zu suchen. Wie das Beispiel Erde zeigt, können Lebewesen die ursprüngliche Atmosphäre eines Planeten drastisch umgestalten. Zudem können ihre Aktivitäten das Gasgemisch aus dem chemischen Gleichgewicht bringen. Ein Gas wie Sauerstoff, das schnell mit anderen Stoffen reagiert, wäre auf einer unbelebten Welt rasch aus der Atmosphäre verschwunden. „Wir kümmern uns erst einmal nicht darum, was Leben ist, sondern darum, was Leben tut, nämlich Stoffe umwandeln”, sagt Seager.

ERSTES LICHT FERNER WELTEN

Tatsächlich ist den Exoplanetenforschern inzwischen gelungen, was noch vor zehn Jahren kaum jemand für möglich hielt: Sie haben Licht von mehreren Dutzend der inzwischen schon vertrauten Heißen Jupiter und von einigen weiter entfernten Planeten aufgefangen. Die Wärmestrahlung eines auf 1000 bis 2000 Grad Celsius aufgeheizten Gasriesen lässt sich mit dem Weltraumteleskop Spitzer direkt messen, auch wenn der benachbarte Stern etwa 1000 Mal so hell im Infraroten strahlt. Im sichtbaren Bereich des Lichts ist der Helligkeitskontrast dagegen so gewaltig, dass eine Planetenbeobachtung unmöglich ist.

Zudem nutzen die Forscher eine besondere Konstellation, die bei einigen fremden Sonnensystemen auftritt: den Transit. Manche Planeten ziehen vor ihren Sonnen vorbei und dunkeln diese dadurch kurzzeitig ab. Für die Atmosphärenbeobachtung ist es besonders günstig, dass die Planeten später auch hinter dem Stern verschwinden. Denn während der Planet verborgen ist, fangen die Forscher das reine Sternenlicht auf, kurz davor und danach erfassen sie das Tageslicht des Planeten zusammen mit dem Licht des Sterns. Anschließend können die Wissenschaftler die Anteile der beiden Himmelskörper in verschiedenen Wellenlängenbereichen des Lichts auseinander dividieren. Im Spektrum des Planeten offenbaren sich charakteristische Signale von Gasen in der Atmosphäre, und es verrät auch die Temperatur der Gashülle. Eine wichtige Erkenntnis aus diesen Messungen: Die Heißen Jupiter sind keine leuchtenden Gasbälle, sondern relativ dunkle Welten. Sie schlucken 80 Prozent des einfallenden Lichts – etwa so viel wie eine Wasseroberfläche. In ihren Atmosphären wurden Natriumdampf, Wasserdampf, Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid nachgewiesen. „Kohlendioxid hatten wir nicht erwartet”, staunt Sara Seager. „ Gasplaneten enthalten enorm viel Wasserstoff, obwohl dort eigentlich Kohlenstoff-Verbindungen wie Methan oder Kohlenmonoxid vorherrschen sollten.” Die Forscherin vermutet, dass das Kohlendioxid durch photochemische Reaktionen erzeugt wird – doch wie genau das geschehen könnte, ist rätselhaft.

TEMPERATURGEFÄLLE VON 1000 GRAD

Der am besten untersuchte Heiße Jupiter HD 209458 b – ein Gasball, der einen Schweif aus Wasserstoff hinter sich herzieht – besitzt in großer Höhe eine Schicht, die das Licht seiner Sonne absorbiert. „Wir haben Hinweise darauf, dass die Atmosphäre umso wärmer wird, je höher man kommt, ähnlich wie in der irdischen Stratosphäre”, sagt Seager. Die Forscherin vermutet, dass Metallverbindungen wie Titanoxid oder Vanadiumoxid oder aber organischer Smog in einer hohen, dünnen Schicht der Atmosphäre das Sternenlicht schlucken und die Umgebung aufheizen. Wie viele andere Planeten mit engen Umlaufbahnen wendet HD 209458 b seiner Sonne wahrscheinlich immer die gleiche Seite zu. Auf der abgewandten Seite herrscht wohl ewige eiskalte Nacht, weil die auf der Tagseite absorbierte Hitze nicht durch Wind abgeleitet werden kann, schrieben Seager und ihr Kollege Drake Deming vom Goddard Space Flight Center der NASA kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature”. Bei HAT-P-7 b, einem Planeten mit ähnlichen Verhältnissen, vermuten die Wissenschaftler einen Temperaturunterschied von über 1000 Grad Celsius zwischen Tag- und Nachtseite.

Aber nicht alle Heißen Jupiter verhalten sich so. Auf dem Planeten HD 189733 b zum Beispiel gibt es keinen starken Unterschied zwischen Tag und Nacht. Dort dringt die Strahlung tiefer in die Planetenatmosphäre ein. Vermutlich blasen starke Jet-Winde mit Schallgeschwindigkeit in Richtung der Breitengrade und mischen die Gashülle kräftig auf. Einen weiteren merkwürdigen Effekt wiesen kürzlich Forscher um Mark Swain vom Jet Propulsion Laboratory der NASA nach. Sie entdeckten ein infrarotes Leuchten, das von Methan-Molekülen in einer hohen Schicht der Atmosphäre ausgeht. Es ähnelt Polarlichtern auf der Erde. Allerdings ist noch unklar, was das Methan zum Glühen bringt.

Leichte PARADIESVÖGEL

Die Heißen Jupiter haben sich als überraschend komplex und vielfältig erwiesen. Doch welche chemischen und physikalischen Prozesse ihr Dasein bestimmen, ist noch kaum verstanden. Das zeigen besonders die Paradiesvögel Wasp-12 b und Kepler-7 b. Beide Heißen Jupiter haben eine extrem geringe Dichte, etwa wie Kork oder Styropor. Solche leichtgewichtigen Gasbälle dürfte es nach den gängigen Planetenmodellen gar nicht geben. Insgesamt sind 60 überdimensionale Heiße Jupiter bekannt, allerdings haben die meisten nicht annähernd so geringe Dichten wie Wasp- 12 b und Kepler-7 b. „Was diese Planeten aufpumpt, ist eines der größten Rätsel der Exoplanetenforschung”, sagt Sara Seager. Infrage kommen Gezeitenkräfte oder elektromagnetische Phänomene. Bei Wasp-12 b scheinen die Gezeiten eine Rolle zu spielen, wie Forscher um Shu-lin Li von der Universität Peking kürzlich in „ Nature” berichteten: Der Planet wirbelt auf einer leicht exzentrischen Bahn alle 26 Stunden einmal um seinen Stern. Dabei ist er wechselnden Anziehungskräften ausgesetzt, die sein Inneres durchkneten und stark aufheizen. Die Hitze wiederum bläht ihn zu seinem beachtlichen Format auf. Vermutlich verzerrt die Schwerkraft des Sterns den Planeten zu einem Ei und saugt pro Sekunde zehn Milliarden Tonnen seiner Atmosphäre ab. Damit dürfte Wasp-12 b nur noch ein kurzes Leben bevorstehen: In zehn Millionen Jahren wird nichts mehr von ihm übrig sein.

Auch das Federgewicht Kepler-7 b scheint dem Ende geweiht: Sein sonnenähnlicher Mutterstern hat sich schon aufgebläht und steht kurz davor, sich zum Roten Riesen zu entwickeln. Mit den 453 bekannten Exoplaneten (Stand: 10. Mai 2010) können Astronomen bereits demographische Studien machen. Beobachtungen zeigen, dass ein Zehntel aller sonnenähnlichen Sterne in der solaren Nachbarschaft von einem Riesenplaneten mit mindestens halber Jupitermasse und einem geringeren Bahnradius als Jupiter begleitet wird. Schätzungen zufolge haben knapp 20 Prozent einen Riesenplaneten im Abstand der Uranus-Bahn. Kleine Planeten scheinen wesentlich häufiger zu sein als große. Demnach dürften 30 Prozent aller sonnenähnlichen Sterne von einer Super-Erde oder einem Mini-Neptun in einer engen Umlaufbahn mit einer Periode von weniger als 50 Tagen begleitet werden. „Die Architektur unseres Sonnensystems ist nicht allgegenwärtig und vermutlich nicht einmal häufig”, sagt Sara Seager.

Junge Planeten wandern gern

Die vielen unerwarteten Konstellationen in den fremden Sonnensystemen haben die bisherigen Theorien zur Entstehung von Planetensystemen über den Haufen geworfen. Schon die Existenz der Heißen Jupiter ließ sich nicht mit dem alten Modell vereinbaren, nach dem Riesenplaneten nur in den kalten Außenbezirken eines Planetensystems vorkommen. In der Scheibe aus Gas und Staub, die junge Sterne umgibt und die das Baumaterial für Planeten liefert, existieren erst jenseits einer bestimmten Grenze eisförmige Stoffe, aus denen die Kerne der Riesenplaneten wachsen können. „ In der Nähe eines jungen Sterns gibt es nicht genug Material, aus dem sich ein Riesenplanet bilden könnte”, erklärt Sara Seager. „ Also müssen sich die Heißen Jupiter weiter außen gebildet haben und irgendwann nach innen gewandert sein.”

Offenbar bleiben junge Planeten generell nicht unbedingt am Ort ihrer Geburt, wie die Astronomen bislang für Erde, Mars, Jupiter & Co. annehmen, sondern bewegen sich munter durch die Gasscheibe und katapultieren sich dabei gegenseitig in ungewöhnliche Umlaufbahnen. Ob ein Heißer Jupiter auf seinem Marsch nach innen die Bildung kleinerer Planeten verhindert, ist ungewiss. „Wenn die terrestrischen Planeten vor den Gasplaneten entstehen, werden sie wahrscheinlich zerstört. Umgekehrt ist es kein Problem”, sagt Artie Hatzes von der Thüringer Landessternwarte in Tautenburg, der an der COROT-Mission der ESA beteiligt ist. Rätselhaft bleibt, warum ein Heißer Jupiter auf seiner Spirale nach innen überhaupt irgendwann zum Stillstand kommt – und zwar meist, wenn er eine Umlaufzeit von drei Tagen erreicht hat – und nicht in den Stern trudelt.

GENEIGT UND RÜCKWÄRTS

Ein weiteres Problem: Viele Planetenbahnen liegen nicht ordentlich in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Sterns wie in unserem Sonnensystem. Exoplaneten haben Bahnen mit allen möglichen Neigungswinkeln und sind rund bis stark elliptisch, wie man es bisher nur von Kometen kannte. „Die Theoretiker zucken mit den Schultern, wenn man sie nach einer Erklärung dafür fragt”, bedauert Artie Hatzes.

Nach neuesten Erkenntnissen landet fast ein Viertel aller Heißen Jupiter schließlich in einem sogenannten retrograden Orbit – ihre Bahn verläuft genau entgegengesetzt zur Drehrichtung ihres Sterns. Womöglich drängt die Anziehungskraft eines schweren, weit draußen liegenden Himmelskörpers die Gasriesen mit der Zeit in diese seltsamen Bahnen, berichtete ein Team um Didier Queloz vom Genfer Observatorium im April. Als Nebeneffekt dürften in solchen Sonnensystemen alle erdähnlichen Planeten zerstört werden.

AUF DER SUCHE NACH DER ZWEITEN ERDE

Komplett im Dunkeln tappen die Forscher bei einem der ersten Befunde des Weltraumobservatoriums Kepler: Der Planetensucher entdeckte ein Objekt, das heißer ist als der Stern, den es umkreist. Für eine Sternenleiche, etwa einen weißen Zwerg, ist der eigenartige Himmelskörper zu groß. „Wir sind nicht sicher, was wir da sehen”, gestand der Leiter der Mission, William Borucki vom Ames Research Center der NASA, kürzlich auf einer Konferenz.

Unter den vielen fremdartigen Sonnensystemen tauchen aber auch erste vertraut erscheinende Konstellationen auf. So beschrieb ein Forscherteam im Dezember 2009 das Planetensystem des Sterns 61 Virginis – eines Zwillings der Sonne, was Alter und Größe betrifft. Die drei Begleiter des nur 28 Lichtjahre fernen Sterns, der mit bloßem Auge sichtbar ist, gehören zwar durchweg zur Kategorie der heißen Super-Erden mit einer Umlaufzeit von wenigen Tagen. Doch in den nächsten zehn Jahren, da sind sich die Forscher sicher, wird ein echter Bruder der Erde auftauchen: Ein Planet mit ähnlicher Masse, Dichte und Umlaufbahn wie die Erde, und obendrein mit einem sonnenähnlichen Heimatstern. „Obwohl vermutlich bald Super-Erden in den bewohnbaren Zonen von Roten Zwergen gefunden werden, ist so ein terrestrischer Planet der Heilige Gral der Exoplanetenforschung”, schwärmt Sara Seager. „ Die Menschheit wird immer nach einer zweiten Heimat Ausschau halten.” ■

UTE KEHSE ist Wissenschaftsjournalistin in Delmenhorst und regelmäßige bdw-Autorin für geowissenschaftliche und astronomische Themen.

von Ute Kehse