Faszination Exoplanet - Universität Bern
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Von Brigit Bucher
Faszination
Exoplanet
Kevin Heng, Christophe Lovis und Sascha Quanz erforschen
weitentfernte Planeten in anderen Sonnensystemen. Unter anderem
sind sie auf der Suche nach Leben. Dabei wandeln sie immer an
der Grenze des Machbaren. Eine Begegnung mit drei Projektleitern
aus dem NFS PlanetS.
1995 entdeckten die beiden Schweizer also sogenannte terrestrische Planeten wie
Astronomen Michel Mayor und Didier die Erde sind, oder aus Gasen wie Saturn
Queloz von der Universität Genf den ersten und Jupiter oder ob sie sogar komplett von
Exoplaneten: 51 Pegasi b umkreist seinen tiefen Ozeanen bedeckt sind. Dies wiederum
sonnenähnlichen Stern in 60 Lichtjahren ist ein entscheidender Schritt, um zu
Entfernung von unserer Erde. Für diese bestimmen, ob auf einem Planeten lebens-
bahnbrechende Leistung wurden die beiden freundliche Bedingungen herrschen.
2019 mit dem Nobelpreis für Physik Die drei Projektleiter Kevin Heng,
ausgezeichnet, und ein regelrechtes Jagd- Christophe Lovis und Sascha Quanz sind
fieber nach Exoplaneten – also Planeten überzeugt: Innerhalb der nächsten Jahr-
ausserhalb unseres Sonnensystems – setzte zehnte werden da draussen im All Anzei-
ein. Entdeckt wurden bislang rund 4400 chen von Leben, sogenannte Biosignaturen,
solcher Exoplaneten, unter anderem von gefunden werden – wenn wir es denn
Weltraumteleskopen wie KEPLER und TESS richtig anstellen. Ihr Optimismus stützt sich
mit der Transitmethode (siehe Infografik auf folgende Schätzungen: Etwa ein Drittel
Seite 29). aller Sterne in unserer Milchstrasse wird von
Inzwischen geht es nicht mehr nur um terrestrischen Exoplaneten umkreist, die
die Entdeckung, sondern auch um die sich in der sogenannten habitablen Zone
Charakterisierung von Exoplaneten. Anhand befinden, wo es weder zu heiss noch zu kalt
der Daten von Teleskopen auf der Erde und ist und Wasser in flüssiger Form existieren
im Weltraum können der Radius und die kann – eine Grundvoraussetzung für Leben,
Masse von Exoplaneten bestimmt werden, wie wir es kennen. Alleine in unserer Milch-
daraus lässt sich die Dichte ableiten. So strasse kommt man so insgesamt auf mehr
erhält man wichtige Informationen über als 30 Milliarden Orte, wo Leben entstanden
diese Planeten – zum Beispiel, ob sie über- sein könnte. Und unsere Galaxie ist nur eine
wiegend aus Gesteinen und Eisen bestehen, von Milliarden Galaxien im Universum.
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Das Extremely Large Telescope (ELT), an dessen Instrumentierung auch
dar NFS PlanetS beteiligt ist, wird mit seinem 39-Meter-Spiegel das grösste
«Auge in den Himmel» sein.
Schwerpunkt UniPress 180/2021 27
So lassen sich Exoplaneten entdecken
Stern
Doppler-Verfahren
Umkreist ein Planet einen Stern, so spürt nicht nur der Planet
die Gravitationskraft des Sterns, sondern der Stern spürt auch
die Gravitationskraft des Planeten und wird seinerseits auf eine
Umlaufbahn um den gemeinsamen Schwerpunkt gezwungen.
Exoplanet
Wenn der Stern sich auf dieser Bahn auf die Betrachtenden
zubewegt, verschiebt sich sein Licht zu kürzeren Wellenlängen in
Richtung Blau. Entfernt sich der Stern, wird sein Licht röter.
Aus dieser periodischen Verschiebung kann auf die Existenz eines
Planeten geschlossen und seine Masse abgeschätzt werden.
Beobachtungen von der Erde aus nannten Biosignaturen von Molekülen,
Christophe Lovis, Senior Lecturer an der die mit Leben assoziiert werden wie Wasser,
Universität Genf, setzt auf Teleskope Sauerstoff oder Methan.
auf der Erde, um die Atmosphären von Lovis verwendet für seine Forschung
Exoplaneten zu erforschen. Im Rahmen des Daten von Instrumenten wie HARPS und
NFS PlanetS leitet er das Projekt «Exoplanet ESPRESSO. Mit der Entdeckung des ersten
atmospheres at high spectral resolution». Exoplaneten mittels dem Doppler-Verfahren
Wenn ein Exoplanet vor seinem Stern vor- (siehe Infografik oben) hatte sich die Astro-
beizieht, dringt das Licht des Sterns durch nomieabteilung der Universität Genf an der
die Atmosphäre des Planeten, bevor es von Weltspitze auf diesem Gebiet positioniert.
einem Teleskop aufgefangen wird. In der Michel Mayor hatte den Spektrografen
Atmosphäre des Exoplaneten befinden sich ELODIE entwickelt, mit dem er und Didier
Moleküle und Atome, die einen Teil des Queloz den ersten Exoplaneten um einen
Lichts absorbieren. Man spricht von den sonnenähnlichen Stern entdeckten. Es
Fingerabdrücken, die diese Moleküle und folgten 2003 unter Leitung der Universität
Illustration des Teleskopen-
Schwarms der LIFE-Mission. Atome im Licht des Sterns hinterlassen. Genf und mit Beteiligung der Universität
Infrarotlicht wird von vier «Mit empfindlichen Spektrografen analy- Bern der Bau und die Installation des Spektro-
frei fliegenden Teleskopen sieren wir diese Fingerabdrücke, um die grafen HARPS auf dem 3,6-Meter-Teleskop
aufgenommen und zu einem Zusammensetzung der Atmosphäre eines der Europäischen Südsternwarte ESO in
in ihrer Mitte fliegenden
Exoplaneten zu bestimmen», wie Lovis La Silla in Chile. Inzwischen wurde HARPS in
Instrument weitergeleitet
und dort kombiniert. erklärt. Besonders interessant sind die soge- der Präzision von ESPRESSO übertroffen,
einem weiteren Spektrografen, der eben-
www.life-space-mission.com falls in Genf gebaut und auf dem Very
Large Telescope (VLT) Observatorium, dem
Flaggschiff der ESO in Paranal in der chile-
nischen Atacama-Wüste, installiert wurde.
Christophe Lovis ist der sogenannte
Instrument Scientist von ESPRESSO und in
dieser Funktion verantwortlich für die
wissenschaftliche Leistung und Datenverar-
beitung des Spektrografen. «Es ist natürlich
toll, dass ich Beobachtungen und Daten
von Instrumenten verwenden kann, die wir
hier in Genf gebaut haben und an denen
ich beteiligt bin», so Lovis. Und bereits tüftelt
er an einem nächsten Instrument: «RISTRETTO
wird die Technik der hochauflösenden
Spektrografie kombinieren mit einem adap-
tiven optischen System – eine Weltneuheit,
28 UniPress 180/2021 Schwerpunkt
Transitmethode
Zieht ein Planet vor seinem Stern vorbei, schwächt er dessen
Licht ab, was zu einem Einbruch in der Lichtkurve des Sterns führt.
Dadurch lässt sich der Radius des Planeten berechnen und mit
bereits vorhandenen Daten zur Masse auch die Dichte bestimmen.
Helligkeit
Zeit
die uns die noch präzisere Charakterisierung schicken, die in Formation fliegen und Funkeln der Sterne kommt durch Turbu-
von Exoplaneten ermöglichen soll», wie die so «zusammengeschaltet» werden, dass lenzen in der Erdatmosphäre zustande,
Lovis begeistert erzählt. Lovis ist auch der das Signal eines Sterns ausgeblendet wird, die die Genauigkeit der Himmelsbeobach-
Schweizer Vertreter im Wissenschaftsteam damit das Signal eines seiner Planeten tungen stören.» Moderne Teleskope mit
für HIRES, einem hochmodernen Spektro- überhaupt lesbar wird. Selbstbewusst sagt adaptiven Optiksystemen können diese
grafen für das Extremely Large Telescope Quanz: «LIFE ist komplementär zu dem, Störungen korrigieren. «In einem neuen
(ELT) der ESO, das 2025 seinen Betrieb was die NASA mit ihrem Wissenschaftspro- Ansatz analysieren wir anhand der Historie
aufnehmen soll. gramm verfolgt, und bietet sogar wissen- von vielen Nächten, in denen Messungen
schaftliche Vorteile.» gemacht wurden, wie sich die Turbulenzen
Ein Schwarm von Teleskopen Quanz arbeitet mit bestehenden Tele- entwickeln, und trainieren die Systeme
im Weltraum skopen, auch um zu verstehen, wo die mit Algorithmen, immer besser zu werden.»
Sascha Quanz, Professor für Exoplaneten Grenzen bei den heutigen Beobachtungs- Quanz ist zudem wie sein Kollege Christophe
und Habitabiliät an der ETH Zürich, leitet im techniken sind. Er entwickelt unter anderem Lovis aus Genf auf dem Gebiet der Instru-
NFS PlanetS die Projekte «Direct imaging of Algorithmen, mit denen bestehende, mentenentwicklung aktiv: «Wir sind unter
forming and mature planetary systems» bodengebundene Instrumente aus dem anderem involviert bei der Instrumentie-
und «Observational signatures of habitabi- Bereich der adaptiven Optik verbessert rung des VLT und des ELT. Dies ist eines der
lity». Sein Ziel ist visionär: «Wir wollen werden können. Quanz erklärt: «Das Resultate des NFS PlanetS. So wird METIS,
direkte Bilder von Exoplaneten machen.» ein Instrument der ersten Generation für
Erreichen will er dies mit der Weltraummis- das ELT, von einem Konsortium gebaut, zu
sion LIFE, die er unter anderem der Europä- dem die ETH Zürich in Zusammenarbeit mit
ischen Weltraumorganisation ESA vorge- PlanetS gehört.» Wichtig für die Entwick-
schlagen hat für ihr Wissenschaftsprogramm lung von solchen neuen Instrumenten sind
für die Jahre 2035 bis 2050. LIFE soll eine Modelle und Simulationen von Atmosphären
grosse Anzahl erdähnlicher Planeten im von Exoplaneten, wie Quanz ausführt:
Detail charakterisieren und sie auf Spuren «Wir arbeiten damit, um zu verstehen, wie
von Leben untersuchen, indem die ther- wir die Instrumente zukünftig designen
mische Strahlung der Planeten gemessen müssen, damit sie das messen, was wir
wird. Dafür muss das Teleskop jedoch gross wollen.»
genug sein, um überhaupt das Signal des «Mein Lieblings-
Planeten und das viel stärkere Signal des Die revolutionäre Datenplattform
Sterns voneinander trennen zu können. exoplanet wird der sein, Kevin Heng, Direktor des Center for Space
Auf der Erde kommen momentan and Habitability CSH an der Universität
Teleskope zum Einsatz, die Spiegel bis zu auf dem wir Hinweise Bern, ist ein Meister der Simulationen und
zehn Metern haben. Das ELT wird einen Modelle zu den Atmosphären von Exopla-
39-Meter-Spiegel haben. «Ein Teleskop von auf mögliches Leben neten. Im Rahmen des NFS PlanetS leitet
dieser Grösse hat in einer Rakete leider er das Projekt «Theory and simulation of
keinen Platz», erklärt der ETH-Professor finden.» exoplanetary atmospheres». «Mich interes-
lachend. Quanz will deswegen einen sieren besonders theoretische Fragen und
Schwarm von fünf Teleskopen ins All Sascha Quanz die Datenanalyse», sagt Heng. Die Expertise
Schwerpunkt UniPress 180/2021 29Künstlerische Darstellung von
drei Super-Erden, die ein
europäisches Team mit dem
HARPS-Spektrografen am des Professors für Astrophysik und seiner bekannt sind, zusammengetragen und auf
3,6-Meter-Teleskop der ESO in Forschungsgruppe ist weltweit gefragt, Anregung von Heng wurden diese nun
La Silla, Chile, nach fünf wenn es beispielsweise um Atmosphären- auf DACE von Ségransan und seinem Team
jähriger Beobachtungszeit
chemie oder um Zirkulations- und Klima- zugänglich gemacht: «Wenn man beispiel-
entdeckt hat.
modelle zu Exoplaneten geht. So sind die weise nach Wasser auf einem Exoplaneten
Berner Forschenden etwa Teil des «Alien sucht, kann man nun also seine Daten mit
Earths»-Projekts der NASA unter der Leitung DACE nach dem Muster des Moleküls durch-
der Universität Arizona, einem interdiszi suchen», erklärt Heng, und man merkt, wie
plinären Forschungsprojekt zur Biologie stolz er auf diese Errungenschaft ist.
und Biochemie der frühen Erde und poten- Heng sagt, dass eine der wichtigsten
ziell lebensfreundlicher Planeten. Fragen auf dem Gebiet der Exoplanetenfor-
Heng erzählt von DACE (Data Analysis schung sei, ob die Moleküle in den Atmo-
Center for Exoplanets), einer Daten- sphären durch geochemische oder bioche-
Plattform des NFS PlanetS, die unter der mische Prozesse entstanden sind. «Kürzlich
Leitung von Damien Ségransan von der war die Aufregung gross, als berichtet
Universität Genf laufend ausgebaut wird. wurde, dass bei der Venus Monophosphan
DACE dient der Visualisierung, dem gefunden wurde, ein Molekül, das mit
Austausch und der Analyse von Daten zu Leben in Verbindung gebracht wird. Neben
Exoplaneten. Es ist die einzige derartige der Frage, ob man tatsächlich Monophos-
Plattform weltweit, die für Forschende frei phan gefunden hat, geht es nun eben
zugänglich ist. Sie umfasst eine breite Palette genau um diese Frage, nämlich ob das Vor-
von Beobachtungsdaten von verschiedenen kommen auf Prozesse zurückgeführt
Teleskopen und theoretischen Daten und werden kann, die mit Leben in Verbindung
stellt Werkzeug bereit, um diese zu analy- stehen.» Und genau diese Frage stellt sich
sieren und zu vergleichen. Anschaulich auch bei Daten von Exoplaneten: Wenn
«Mein Lieblings- erklärt Heng eines der Anwendungsge- man ein Molekül entdeckt, muss man sich
biete: «Wir haben ja nicht die Möglichkeit, fragen, ob es geochemisch oder bioche-
exoplanet ist Proben bei Exoplaneten einzusammeln. misch bedingt ist.
Was wir jedoch tun können, ist, beispiels-
Proxima b – ein wahrer weise die Daten von Spektrografen nach Interdisziplinäre Zusammenarbeit
Fingerabdrücken bestimmter Moleküle zu Im NFS PlanetS finden all die klugen Köpfe
Glückstreffer.» durchsuchen.» Während fünf Jahren hat zusammen. Die Frage nach Leben und nach
Simon Grimm vom CSH sämtliche dieser der potenziellen Bewohnbarkeit von
Christophe Lovis Muster, die aus wissenschaftlichen Studien Planeten kann nur interdisziplinär beant-
30 UniPress 180/2021 Schwerpunkt«Man muss sich daran gewöhnen, zu schei-
tern. Eine nützliche Erkenntnis, für die
ich aber einige Jahre gebraucht habe, war:
Man muss lernen, schnell zu scheitern. Es
gibt immer eine Lektion oder eine kostbare
Erfahrung, die man dabei macht. Wenn
man also scheitert, warum nicht schneller
scheitern?»
«Super-Erden, auch
Die Forscher und ihre Lieblinge
Mini-Neptune genannt, Dieses Jahr soll nach einiger Verzögerung
das James Webb Space Telescope JWST
gehören zu meinen seine Suche nach Exoplaneten antreten. Die
drei Exoplanetenforscher sehen dem Start
Lieblingsexoplaneten.» und den Möglichkeiten, die das JWST bieten
wird, mit grosser Spannung entgegen.
Kevin Heng Haben sie denn bereits jetzt einen Lieblings-
exoplaneten? Christophe Lovis: «Für mich
ist das ganz klar Proxima b bei Proxima
Centauri, dem Stern, der unserer Sonne am
nächsten ist.» Es handelt sich bei Proxima b
um einen terrestrischen Planeten, der erst
noch in der habitablen Zone ist. «Ein wahrer
Glückstreffer», wie Lovis sagt, «denn dies
eröffnet spannende Möglichkeiten für uns,
ihn zu studieren. Wäre das System weiter
von uns entfernt, wären der Stern und der
Planet aus unserer Sicht näher beieinander
und weniger gut beobachtbar.»
Heng sagt: «Natürlich sind die erdähn-
lichen Planeten interessant wegen möglichen
wortet werden, wie Sascha Quanz sagt: Quanz einschliesst.» Es werden formelle Biosignaturen, die man dort finden könnte.»
«Die Fragen nach dem Ursprung des Arbeitsgruppen eingerichtet, die sich mit Unser Sonnensystem habe uns glauben
Lebens, was überhaupt Leben ist, welche spezifischen wissenschaftlichen Fragen lassen, dass es nur zwei Arten von Planeten
Spuren es hinterlässt und welche über- beschäftigen. «So gehen wir zum Beispiel gäbe: terrestrische Planeten wie die Erde
haupt nachgewiesen werden können auf der Frage nach, welche Art von Biosigna- oder den Mars und Gas- oder Eisriesen wie
anderen Planeten – diese Fragen hängen turen besonders relevant und in naher Jupiter oder Neptun. «Aber was uns die
unweigerlich zusammen, und man kann sie Zukunft zugänglich sein werden, also welche verschiedenen Missionen wie Kepler, TESS
nur beantworten, wenn die Expertisen aus Art von Molekül bei welchem Planeten mit oder CHEOPS zeigen, ist, dass es viele
der Astrophysik, Geochemie, Geophysik, welchem Instrument nachweisbar sein Planeten von der Grösse zwischen Erde und
Biologie und Chemie zusammengebracht könnte», so Lovis weiter. Neptun gibt. Von diesen Exoplaneten haben
werden.» Der NFS PlanetS sei die perfekte wir noch keine Ahnung, wie sie chemisch
Plattform für Exoplanetenforschung, weil Der lange Atem und das aussehen und wie ihre Atmosphären zusam-
man sich gegenseitig optimal ergänze. Für schnelle Scheitern mengesetzt sind.» Deswegen gehören diese
grosse Projekte wie Missionen im Weltraum Man braucht einen langen Atem auf dem Super-Erden, die auch Mini-Neptune
und Instrumente für bodengebundene Gebiet der Exoplanetenforschung. So kann genannt werden, zu Hengs Lieblingspla-
Teleskope sind zudem internationale es beispielsweise Jahrzehnte dauern neten.
Konsortien und Teams am Werk, und eine von der ersten Idee bis zum Bau eines Instru- Und wie steht es bei Sascha Quanz? «Ich
einzelne Forschungsgruppe oder ein Institut ments. Ist ihre Arbeit manchmal frustrierend? habe noch keinen Lieblingsexoplaneten.
allein ist nicht in der Lage, eine führende Lovis gibt unumwunden zu: «Ja, natürlich, Es wird der sein, auf dem wir Hinweise auf
Rolle zu übernehmen. «Wenn das Ziel der es ist immer wieder frustrierend. Das ist ein mögliches Leben finden.»
Schweiz ist, auch zukünftig international unvermeidlicher Teil der Wissenschaft.
eine grosse Rolle zu spielen in der Weltraum- Man muss lernen, damit umzugehen. Der
forschung, kann das nur mit einem natio- Fortschritt in der Forschung ist nie linear,
nalen Effort passieren. Wir haben innerhalb es ist immer ein Vor und Zurück.» Beim Bau
des NFS gelernt, zusammenzuarbeiten, von Instrumenten gebe es immer Verzöge-
sodass wir nach aussen hin gemeinschaftlich rungen und unvorhergesehene Schwierig-
viel homogener und grösser auftreten keiten. Sie bauen schliesslich Prototypen, Kontakte
können als individuell», zeigt sich Quanz die per Definition noch nie zuvor gebaut Prof. Dr. Kevin Heng, Universität Bern,
überzeugt. Christophe Lovis erzählt, wurden. Sie müssen immer bereit sein, zu kevin.heng@csh.unibe.ch
dass momentan gerade die Phase 3 des NFS reagieren und eine Alternative zu finden.
Dr. Christophe Lovis, Université de Genève,
definiert wird, die im Jahr 2022 beginnt: Auch Kevin Heng sagt, dass Forschung
christophe.lovis@unige.ch
«Ich werde Teil des Bereichs sein, der sich auf kein Nine to five-Job sei, bei dem man
das Thema Habitabilität konzentriert und immer das Gleiche mache. Forschung sei Prof. Dr. Sascha Quanz, ETHZ,
der die Projekte von Kevin Heng und Sascha nicht vorhersehbar und strukturiert. Und: sascha.quanz@phys.ethz.ch
Bilder S. 26–31: ESO, ESA, ETH Zürich, Allessandro DellaBella, zVg
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