Es ist gerade einmal 23 Jahre her, als der erste Planet entdeckt wurde, der einen anderen Stern umkreist. Seitdem ist enorm viel passiert und unser Wissen über die extrasolaren Planeten hat sich gewaltig vergrößert. Und jetzt sind wir anscheinend schon so weit, um darüber nachdenken zu können, die Gebirge auf Exoplaneten zu beobachten!

Das tun zumindest Moiya McTier und David M. Kipping. In ihrer kürzlich veröffentlichten Arbeit (“Finding Mountains with Molehills: The Detectability of Exotopography”) versuchen sie herauszufinden, wie man die Topografie von Exoplaneten überhaupt untersuchen kann und was dafür nötig wäre. Denn es klingt ja schon ein wenig absurd. Von den tausenden Exoplaneten die wir in den letzten Jahrzehnten entdeckt haben, haben wir so gut wie keinen direkt gesehen. Wir haben sie alle nur indirekt gefunden; durch Schwankungen in der Position oder der Helligkeit der Sterne die sie umkreisen. Wie um Himmels Willen soll man herausfinden, was für Berge auf einem Planeten rumstehen, wenn wir den Planeten nicht einmal sehen können?

Auch andere Planeten haben Berge. Hier der Olympus Mons auf dem Mars (Bild: NASA)

Auch andere Planeten haben Berge. Hier der Olympus Mons auf dem Mars (Bild: NASA)

Aber da vergisst man die Kreativität der Astronominnen und Astronomen! Wenn wir etwas wirklich gut können, dann ist das sehen. Vor allem, wenn es darum geht etwas zu sehen, was man eigentlich gar nicht sehen können sollte. Die Planeten der anderen Sterne haben wir ja auch gefunden, ohne sie zu sehen. Wir haben das Licht der Sterne beobachtet und nach periodischen Helligkeitsschwankungen gesucht. Immer wenn ein Planet von uns aus gesehen kurz vor dem Stern vorüber zieht, wird ein kleiner Teil dessen Lichts blockiert und er wird dunkler. Die Schwankungen sind wirklich winzig und betragen meist nur Bruchteile eines Prozents. Aber wir können sie trotzdem beobachten und aus ihnen die Existenz und einige Eigenschaften des Planeten ableiten.

So verändert die Anwesenheit des Himalayas (nicht maßstabsgetreu gezeichnet), die Menge an Licht das die Erde beim Vorbeizug an der Sonne blockiert (maßstabsgetreu gezeichnet). (Bild: McTier & Kipping, 2018)

So verändert die Anwesenheit des Himalayas (nicht maßstabsgetreu gezeichnet), die Menge an Licht das die Erde beim Vorbeizug an der Sonne blockiert (maßstabsgetreu gezeichnet). (Bild: McTier & Kipping, 2018)

Und mit der Topografie, so McTier und Kipping, ist es genau so. Stellen wir uns die Erde einmal vor. Da gibt es jede Menge größere und kleinere Gebirge, es gibt tiefe Gräben (die meistens allerdings von Ozeanen bedeckt sind), und so weiter. Die Erde ist nicht rund (und nein, sie ist auch nicht flach), sondern – zumindest was das Thema dieses Artikels angeht – unregelmäßig geformt. Außerdem dreht sie sich um ihre Achse. Wenn sie an der Sonnenscheibe vorüber zieht, dann zeigt sie also immer ein anderes Profil. Und blockiert deswegen mal mehr, mal weniger Sonnenlicht. Natürlich sind die Schwankungen winzig. Selbst ein so großes Gebirge wie der Himalaya ragt nur minimal über die Erdoberfläche hinaus. Bei einem Radius von 6371 Kilometern spielen die 8 Kilometer Höhe von Mount Everest & Co keine große Rolle. Aber wenn der Himalaya gerade “auf der Seite” der Erde steht, während sie vor der Sonne vorüber zieht, blockiert die Erde eben doch ein klein wenig mehr Licht als sonst. Und hat man Instrumente, die gut genug sind, dann kann man das registrieren.

Topografie der Erde (nicht maßstabsgetreu) und ihre Auswirkung auf die Menge an Sonnenlicht, das sie blockieren kann (maßstabsgetreu). Blau ist die Oberfläche mit Ozean, braun ohne Meere. (Bild: McTier & Kipping, 2018)

Topografie der Erde (nicht maßstabsgetreu) und ihre Auswirkung auf die Menge an Sonnenlicht, das sie blockieren kann (maßstabsgetreu). Blau ist die Oberfläche mit Ozean, braun ohne Meere. (Bild: McTier & Kipping, 2018)

Aber haben wir diese Instrumente denn auch? Nein. Das ist das Ergebnis, zu dem McTier und Kipping bei ihrer Arbeit kommen. Zumindest dann nicht, wenn wir erdähnliche Gebirge auf erdähnlichen Planeten finden wollen, die sonnenähnliche Sterne in deren lebensfreundlicher Zone umkreisen. Auch bei den sehr häufigen roten Zwergsternen, bei denen wir immer wieder coole Planeten finden, ist es aussichtslos. Selbst die riesigen Teleskope die derzeit gebaut werden würden das nicht schaffen. Nicht einmal geplante Projekte die noch viel weiter in der Zukunft liegen, wie das 74 Meter große Colossus-Teleskop oder schon längst wieder ausgemusterte Pläne wie das für das 100 Meter große Overwhelmingly Large Telescope kriegen das nicht hin.

In anderen Fällen könnte es mit den Riesenteleskopen der Zukunft aber klappen. McTier und Kipping betrachten den Fall eines marsgroßen Planeten mit einem dem Himalaya ähnlichen Gebirge der einen weißen Zwergstern in engem Abstand umkreist (nicht so eng allerdings, als dass die Gezeitenkräfte zwischen Stern und Planet die Rotation des Planeten mit der des Sterns synchronisieren, denn dann sieht man immer nur das gleiche Profil des Planeten wenn er am Stern vorüber zieht). Hier wären die Bedingungen gerade so, dass man aus den minimalen Veränderungen in der Lichtkurve auf die Existenz der Gebirge schließen könnte.

Aber warum stellt man sich so eine Frage überhaupt? Warum wollen wir wissen, ob irgendwo auf einem Exoplaneten ein Exo-Himalaya zu finden ist? Weil die Topografie interessante Konsequenzen hat. Das Himalaya-Gebirge etwa ist ein Resultat der Plattentektonik. Der 25 Kilometer hohe Olympus-Mons-Vulkan auf dem Mars ist ein Resultat von massivem Vulkanismus. Anders gesagt: Die Topografie erlaubt uns Rückschlüsse auf die tektonischen Vorgänge im Inneren eines Planeten. Und die sind nicht nur an sich schon enorm interessant und enorm wichtige Informationsquellen, wenn wir Planeten verstehen wollen. Die Tektonik hat auch massive Auswirkungen auf die potentielle Lebensfreundlichkeit eines Planeten. Ohne einen ständigen Austausch von Material zwischen Atmosphäre und Planeteninneren ist ein Planet längst nicht so lebensfreundlich.

Ist da. Muss man rauf. (Bild: Public Domain)

Ist da. Muss man rauf. (Bild: Public Domain)

Aber eigentlich lautet die Antwort auf die Frage so wie die Antwort, die Bergsteiger George Mallory auf die Frage gegeben hat, warum er den Mount Everest besteigen will: “Weil er da ist!” Wenn die Exoplaneten einen Topografie bzw. eine Geografie (oder muss das “Exografie” heißen?) haben, dann wollen wir darüber Bescheid wissen! Weil sie da ist!

Kommentare (12)

  1. #1 René
    22. Januar 2018

    Spannende Arbeit! Aber wenn man soweit ist, Gebirge auf Exoplaneten zu entdecken, ist man mit der Technik dann nicht auch soweit, die Exoplaneten direkt zu sehen? Die Schwankungen sind bei einem Gebirge ja wirklich extrem gering.
    Achja: Um es mit Spocks Worten aus Star Trek V zu formulieren:
    “Vielleicht ist “Weil er da ist.” doch kein ausreichender Grund, auf einen Berg zu klettern?” 😀

  2. #2 Florian Freistetter
    22. Januar 2018

    @René: “st man mit der Technik dann nicht auch soweit, die Exoplaneten direkt zu sehen?”

    Das hängt nicht unbedingt direkt zusammen. Für die Topografie musst du Helligkeitsschwankungen eines (tendenziell hellen) Sterns messen. Für ne direkte Beobachtung musst du das schwache Licht des Planeten vom hellen Stern räumlich trennen. Das sind unterschiedliche technische features.

  3. #3 roel
    http://scienceblogs.de/10jahrescienceblogs/author/roel/
    22. Januar 2018

    @Florian Freistetter Würden Wolken das Ergebnis verfälschen?

  4. #4 Bullet
    22. Januar 2018

    Schau dir die Venus an. Da würd ich ja fast auf ein “Ja” tippen.

  5. #5 jyou
    Kempten
    22. Januar 2018

    Hallo Florian

    Könnte man überhaupt Monde die um einen Exoplaneten kreisen von einem Gebirge unterscheiden? Sind ja beides periodische Änderungen. Kennt man eigentlich schon die “Taglänge” von einem oder mehreren Exoplaneten? Und wenn ja wie wurde die ermittelt/gemessen?
    Dann müsste die Periode des Gebirges mit der “Taglänge” übereinstimmen und man könnte es von Monden unterscheiden.

  6. #6 Alderamin
    22. Januar 2018

    @jyou

    Sind ja beides periodische Änderungen.

    Ein (größerer) Mond lässt den Schwerpunkt seines Planeten wackeln, d.h. der exakte Zeitpunkt des Transits vor dem Stern ist von einer periodischen Variation überlagert. Das ist mehr als nur eine periodische Änderung des Verfinsterungsprofils.

    Eine scheibenförmige Verfinsterung durch einen Mond hat außderdem ein gewisses Profil in der Lichtkurve zur Folge, das bei Gebirgen sicherlich völlig anders aussähe.

    Wie im Text steht, sind heutige Geräte weit davon entfernt, Gebirge auf Exoplaneten zu entdecken. Selbst Objekte von der Größe unseres Mondes sind noch knapp außer Reichweite, überhaupt im Transit vor einem Stern entdeckt zu werden. Aber einen Mond von der Größe Neptuns, der einen Planeten von der Größe Jupiters umkreist, hat man möglicherweise schon gefunden. Weitere Beobachtungen sollen dies untermauern.

  7. #7 tohuwabohu
    Berlin
    22. Januar 2018

    Es gibt eine ganze Reihe von “Störungen” die die Abschattung durch Berge verdecken können (Sonnenflecken, Monde, Wolken, …). Einige davon sind variabel und könnten bei jahr(zehnt)elangen Beobachtungen vielleicht herausgerechnet werden.

    Für die Suche nach der “Zweiten Erde” müssen aber weitere Parameter zutreffen (Temperatur, Wasser, Atmosphäre, …).
    Ein weiteres Problem ist, dass die Planeten für derartige Beobachtungen vor dem Stern vorbeizeihen müssen, was umso unwahrscheinlicher ist, je weiter der Planet von seiner Sonne entfernt und je kleiner er ist. Also man braucht schon, neben äusserst genauen Intrumenten und viel Beobachtungszeit eine gehörige Portion Glück.
    Und dann noch die Frage: Was machen wir, wenn wir tatsächlich einen derartigen Planeten finden? Die Wahrscheinlichkeit, dass dort Außerirdische wohnen, die technisch in der Lage wären mit uns zu kommunizieren, wäre äusserst gering – und wenn dort noch niemand oder niemand mehr wohnt, haben wir die Ressourcen Raumschiffe zu bauen um dort hinzufliegen (und wie lange wären wir dann unterwegs)?
    Aber damit komme ich wohl zum zweiten Wort des Begriffs “Science Fiction” …

  8. #8 Florian Freistetter
    22. Januar 2018

    @tohuwabohu: “Was machen wir, wenn wir tatsächlich einen derartigen Planeten finden? “

    Uns freuen, dass wir ihn gefunden haben. Und tatsächlich WISSEN, das es solche Planeten gibt (was wir jetzt nicht tun).
    Astronomen machen ihre Arbeit, weil sie mehr über das Universum wissen wollen. Nicht, um irgendwelche Ausweichquartiere für die Menschheit zu finden.

  9. #9 stone1
    22. Januar 2018

    Erstaunlich, wie viel man durch minimale Helligkeitsänderungen über Exoplaneten herausfinden kann. Bis zum Auffinden des ersten Exogebirges bleibt jedoch noch viel Zeit zum Tee trinken, das EELT soll planmäßig 2024 den Betrieb aufnehmen und zum Colossus-Teleskop habe ich noch gar keinen konkreten Zeitplan gefunden.

  10. #10 tohuwabohu
    Berlin
    22. Januar 2018

    Ich habe ja nichts dagegen, dass die Astronomen (und andere Interessierte) sich an solchen Entdeckungen erfreuen (finde ich ja auch durchaus interessant) und unser Wissen erweitern.
    Die Frage war aber, ob es absehbar ist, dass eine derartige Entdeckung auch irgendeinen (anderen) Nutzen hat, zumal man (ohne zumindest eine Sonde hinzuschicken) wohl nicht sicher sein kann, ob die “gefundenen Berge” vulkanischen Ursprungs oder das Ergebnis des “Zusammenpralls” von auf einem “flüssigen” Kern schwimmenden Platten sind.
    Zumindest in unserem eigenen Sonnensystem, ja selbst auf der Erde, gibt es Berge, die auf unterschiedliche Weise entstanden sind. Da ist die Wahrscheinlichkeit wohl hoch, dass es auch anderswo Planeten mit Bergen (ab welcher Höhe ist eine Erhebung ein Berg?) gibt und somit die Tatsache kaum überrascht.
    So hat der Mars, obwohl auf ihm wahrscheinlich niemals Plattentetonik in erdähnlichen Ausmaß stattgefunden den (absolut und erst recht relativ zum Eigendurchmesser gesehen) höchsten Berg (Olympus Mons, ca. 22 km = 0,32%, Vergleich: Mount Everest ca. 9km = 0,07%) im Sonnensystem (Vergleichen kann man dazu nur Himmelskörper, die unter dem Einfluß ihrer Eigenmasse annähernd rund geformt sind).
    Der interessanteste Aspekt ist aber wohl, dass man mit den entsprechenden Instrumenten und der Analyse des Spektrums und der Helligkeitsverteilung eines Sterns nicht nur herausfinden kann, dass da ein Planet und wie groß dieser ist, sondern sogar Aussagen über seine Monde, Atmosphäre und Oberfläche machen kann.

  11. #11 Artur57
    23. Januar 2018

    @tohuwabohu

    Na, da bin ich aber nicht einverstanden. Ein Berg wie der Olympus Mons entsteht nicht aus dem Nichts, er ist auch vom Aussehen her ganz klar vulkanischen Ursprungs. Aber warum hatte der Mars früher Vulkanismus und jetzt nicht mehr? Auf Wikipedia finden wir da einen sehr interessanten Satz: er hat seine radioaktiven Element weitgehend aufgebraucht. Werden Atome gespalten, dann brauchen die neu entstehenden Reaktanden mehr Volumen als das vorherige Atom. Die Alphazerfälle produzieren laufend Heliumatome, die dann Druck aufbauen. Das muss irgendwo heraus und das ergibt dann den Vulkanismus.

    Nun hatte der Mars früher auch eine Atmosphäre, ein Meer und ein Magnetfeld. Wikipedia stellt zumidest zum Magnetfeld eine Verbindung her, genauer gesagt steht dort:
    “Anders als die Erde und der Merkur besitzt der Mars kein globales Magnetfeld mehr, seit er es ca. 500 Millionen Jahre nach seiner Entstehung verlor. Vermutlich erlosch es, als der Zerfall radioaktiver Elemente nicht mehr genügend Wärmeenergie produzierte, um im flüssigen Kern Konvektionsströmungen anzutreiben. Weil der Mars keinen festen inneren Kern besitzt, konnte er den Dynamo-Effekt nicht auf die gleiche Art aufbauen wie die Erde.”

    Das hieße also, dass das alles zusammenhängt und Berge zeigen demnach das Vorhandensein von Radioaktivität an, die das Leben – vielleicht – erst ermöglicht. Gut, die Alpen sind nicht durch Vulkanismus, sondern durch Plattentektonik entstanden. Die aber gäbe es ohne die Heizung aus dem Erdinneren auch nicht.

    Das Vorhandensein von Bergen sagt daher vermutlich weit mehr, als es zunächst den Anschein hat.

  12. #12 Alderamin
    23. Januar 2018

    @tohuwabohu

    Die Frage war aber, ob es absehbar ist, dass eine derartige Entdeckung auch irgendeinen (anderen) Nutzen hat,

    Astronomie ist Grundlagenforschung, die keinen direkten Nutzen hat, außer, dass man etwas lernt, unter anderem, ob die Erde etwas besonderes ist oder ein recht gewöhnlicher Himmelskörper. Das befriedigt die menschliche Neugier, den man will wissen, was die eigene Rolle im Universum ist (und ob da vielleicht noch jemand anderes sein könnte).

    zumal man (ohne zumindest eine Sonde hinzuschicken) wohl nicht sicher sein kann, ob die “gefundenen Berge” vulkanischen Ursprungs oder das Ergebnis des “Zusammenpralls” von auf einem “flüssigen” Kern schwimmenden Platten sind.

    Das wird man sicherlich an der Form des Berges erkennen. Vulkane sind doch schon für Laien an ihrer kegelförmigen Silhouette zu erkennen. Olympus Mons ist übrigens ein Schildvulkan, wie die Hawaiianischen Inseln. Das sagt sogar etwas über die Art der Lava aus, die da geflossen ist (Schildvulkane entstehen aus Lava, die sehr gut fließt).

    Aber wie im Artikel steht, diese Methode ist so abartig schwierig (selbst beim Vermessen des Mondprofils bedient man sich der Zeitmessung von Sternbedeckungen, einfacher mal den Rand lang gucken ist nicht genau genug, die Auflösung von Teleskopen auf die Entfernung des Mondes liegt nur im Bereich einiger hundert Meter), dass wohl keiner der hier mitlesenden ihre Umsetzung je erleben wird. Aber man kann ja trotzdem mal untersuchen, was es dazu bräuchte, das macht die hier vorgestellte Arbeit wertvoll.