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Erdähnlicher Planet bei Proxima Centauri |
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Astronomen entdecken einen Himmelskörper in der habitablen Zone um den nächstgelegenen Fixstern
In einer Entfernung von etwas mehr als vier Lichtjahren ist Proxima Centauri der nächste Stern ausserhalb unseres Sonnensystems und damit schon lange ein Liebling der Science Fiction-Autoren.
Astronomen haben einen Planeten gefunden, welchen sie Proxima Centauri b nennen.
Proxima Centauri b ...
- umkreist Proxima Centauri einmal alle 11,2 Tage in einem Abstand von sieben Millionen Kilometern umkreist - innerhalb eines Bereichs, in dem es möglicherweise die richtigen Bedingungen für die Entstehung von Leben gibt.
- besitzt eine Masse, welche bei schätzungsweise bei 1,3 Erdmassen liegt.
Auf dem Planeten müssen nicht zwangsläufig lebensfreundliche Bedingungen herrschen. Aber trotz der grossen Nähe zu seinem Heimatstern befindet sich das Objekt in der Region, die in der Astronomie habitable Zone genannt wird. Auf Planeten in der habitablen Zone rund um den Heimatstern können im Prinzip Temperaturen herrschen, welche die Existenz von flüssigem Wasser erlauben - eine entscheidende Voraussetzung für Leben, wie wir es von der Erde her kennen.
Proxima Centauri ist ein roter Zwergstern vom Spektraltyp M5.5Ve und daher deutlich masseärmer und leuchtschwächer als unsere Sonne: So besitzt Proxima nur rund 12 Prozent ihrer Masse und lediglich 0,17 Prozent ihrer Leuchtkraft. Zwischen 70 und 80 Prozent aller Sterne in der Nachbarschaft unseres Sonnensystems sind rote Zwerge, und dieser Häufigkeitswert dürfte auch für den Rest unserer Heimatgalaxie repräsentativ sein.
Andererseits ist wahrscheinlich, dass die Nähe von Proxima Centauri b zu seinem Stern zu gebundener Rotation führt. Das heisst, der Planet wendet dem Stern immer dieselbe Seite zu. Auf dieser Hälfte des Planeten würde bei hohen Temperaturen ewiger Tag herrschen, auf der anderen Hälfte ewige Nacht. Es ist unklar, wie Leben unter solchen ungünstigen Bedingungen entstehen kann.
Rote Zwerge mit einem Drittel oder weniger der Sonnenmasse sind komplett konvektiv: Ihre Materie ist unaufhörlich in Bewegung, ähnlich jener in einem Topf kochenden Wassers, das durch intensives Brodeln durchmischt wird. Sehr viele rote Zwerge, darunter auch Proxima Centauri, besitzen ausserdem vergleichsweise starke Magnetfelder und weisen erhebliche stellare Aktivitäten auf.
Dabei entstehen immer wieder Flares: plötzliche Freisetzungen von magnetischer Feldenergie, die zu kurzen, deutlichen Anstiegen der Sternhelligkeit führen. Die stellare Aktivität des Sterns erzeugt zudem hochenergetische Teilchen und Röntgenstrahlung, die den Planeten bombardieren - auch das durchaus ungünstige Voraussetzungen für Leben.
Ein möglicher Nachweis von Leben, oder zumindest von chemischen Eigenschaften, welche die Existenz von Leben auf dem Planeten nahelegen, dürfte allerdings noch einige Jahrzehnte auf sich warten lassen. Trotzdem bietet das Objekt eine hervorragende Möglichkeit, die Systematik der Planetenentstehung in unserer Heimatgalaxie zu studieren.
Mehr als 3'500 Exoplaneten haben die Astronomen mittlerweile gefunden. Die meisten Entdeckungen gehen auf das Konto des NASA-Weltraumteleskops Kepler, das die Helligkeit vieler verschiedener Sterne mit grosser Genauigkeit bestimmt. Planeten, deren Umlaufbahnen genauso orientiert sind, dass sie aus Sicht eines Beobachters auf der Erde vor ihren Heimatsternen vorbeilaufen, schatten regelmässig einen kleinen Teil ihres Sterns ab.
In einem solchen Fall verliert der Stern in charakteristischer Weise vorübergehend etwas an Helligkeit. Auch bei Proxima Centauri haben Astronomen in der Vergangenheit nach solchen systematischen Helligkeitsschwankungen gesucht, allerdings ohne Erfolg. Das schloss aber nicht aus, dass Proxima einen Planeten besitzt. Vielmehr zeigte es, dass dort kein hinreichend grosser Planet existiert, der von der Erde aus gesehen genau vor Proxima vorbeiläuft.
Jüngst schuf ein seltenes Zusammentreffen sogar die Chance für eine ungewöhnliche Form des möglichen Nachweises von Exoplaneten: Im Oktober 2014 und Februar 2016 zog Proxima Centauri von der Erde aus gesehen sehr nahe vor je einem anderen, weiter entfernten Stern vorbei. Dabei hätte der sogenannte Mikro-Gravitationslinseneffekt zum Tragen kommen können.
Besässe Proxima einen Planeten, der im entscheidenden Moment direkt vor einem der entfernteren Sterne vorübergezogen wäre, hätte die Masse des Planeten das Licht des Sterns abgelenkt und verstärkt. Die Folge: eine plötzliche, kurze Helligkeitszunahme auf Grundlage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Doch auch dieser Nachweis gelang nicht. Offenbar war der vermeintliche Planet nicht zur richtigen Zeit am richtigen Ort.
So kam als drittes Verfahren auch die Radialgeschwindigkeitsmessung zum Einsatz: Sie weist winzige Hin- und Herbewegungen des Sterns nach, wie sie sich ergeben, wenn ein Stern und ein Planet unter Einfluss der Schwerkraft um ihren gemeinsamen Schwerpunkt kreisen. Diese Bewegung zeigt sich im Sternlicht. Es wird ein wenig zum blauen Ende hin verschoben, wenn sich der Stern auf die Erde zu bewegt, und zum roten Ende hin, wenn sich der Stern von der Erde entfernt. Analog ändert das Martinshorn eines Polizeiautos allmählich seine Tonhöhe, wenn es an einem Beobachter vorbeifährt.
Auch an Proxima Centauri wurden über die vergangenen Jahrzehnte hinweg entsprechende Messungen vorgenommen - jedoch wiederum erfolglos. Tatsächlich liegt die Masse des Planeten nahe an der Empfindlichkeitsgrenze moderner astronomischer Instrumente. Ein solches ist der Spektrograf HARPS am 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf dem chilenischen Berg La Silla. Im Jahr 2013 beobachtete ein Team um Guillem Anglada-Escudé, damals an der Universität Göttingen, den Stern Proxima Centauri und fand Hinweise auf die mögliche Existenz von Planeten mit Umlaufzeiten von 11,2, 13,6 und 18,3 Tagen.
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Die Daten waren allerdings nicht aussagekräftig genug, die Astronomen konnten nicht ausschliessen, dass es sich um Störeffekte handelte, die das Vorhandensein von Planeten lediglich vorspiegelten. Daher organisierte Anglada-Escudé eine gezielte Suche nach dem oder den Planeten von Proxima Centauri. Er nannte sein Projekt "Pale Red Dot". Unterstützt von verschiedenen kleineren Teleskopen, welche die Helligkeit von Proxima überwachten, setzten die Forscher HARPS in 54 Nächten zwischen dem 18. Januar und dem 30. März 2016 ein.
Guillem Anglada-Escudé, mittlerweile an die Queen Mary University of London gewechselt, liess dabei von Anfang an die Öffentlichkeit an seinem Projekt teilhaben: Auf den "Pale Red Dot"-Webseiten richtete er erklärende Blogs ein sowie weitere Beiträge, welche die Kampagne auf den sozialen Medien begleiteten.
Im Lauf der Beobachtungen verdichteten sich die Hinweise auf die Existenz eines Planeten. "Ich habe die Beobachtungsdaten jeder einzelnen Nacht unserer Kampagne auf ihre Stimmigkeit überprüft", sagt Guillem Anglada-Escudé. "Die ersten zehn Tage waren bereits vielversprechend, die ersten 20 entsprachen unseren Erwartungen, und nach 30 Tagen war das Ergebnis so sicher, dass wir uns daran machten, den entsprechenden Fachartikel zu entwerfen."
Allerdings war die Interpretation der Daten kompliziert: Wie erwähnt, ist Proxima Centauri aktiv und besitzt ein starkes Magnetfeld. Daher sollten in seiner Atmosphäre häufig dunkle, kühlere Flecken auftreten. Diese beeinflussen die Messungen der Radialgeschwindigkeit, weil sie das Spektrum verändern und im ungünstigsten Fall die Anwesenheit eines Planeten vorgaukeln.
Um die Beobachtungen abzusichern, müssen solche Effekte berücksichtigt werden. Ausgerechnet das Alpha-Centauri-System - ein Doppelsternsystem, das so nahe an Proxima steht, dass dieser sogar der dritte Partner im Bunde sein könnte - bietet ein mahnendes Beispiel: Zwischen 2012 und 2015 glaubten viele Astronomen, der erdnächste Exoplanet sei Alpha Centauri Bb, im Umlauf um Alpha Centauri B. Inzwischen gehen die Forscher jedoch davon aus, dass dieser Planet in Wirklichkeit gar nicht existiert.
Im Fall von Proxima Centauri ergibt sich letzte Sicherheit aus älteren Beobachtungen, die Martin Kürster vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und sein ehemaliger Doktorand Michael Endl (University of Texas) ausgeführt und gemeinsam mit Kürsters früherem Doktoranden Mathias Zechmeister (Universität Göttingen) analysiert hatten. Die Beobachtungen waren Teil einer systematischen Suche nach Begleitern von M-Sternen, vorgenommen im Zeitraum von 2000 bis 2007 mit dem UVES-Spektrografen am Very Large Telescope der ESO.
"Bereits in unseren alten Messungen zeigte sich ein Signal, das einem Planeten mit einer Umlaufdauer von 11,2 Tagen entspricht", sagt Martin Kürster. Aber allein mit diesen Daten sei es unmöglich zu entscheiden, ob das Signal tatsächlich von einem Planeten stamme oder von einer zufälligen Kombination von Störeinflüssen herrühre.
Kürster weiter: "Kombiniert man unsere Daten dagegen mit den neuen Messungen, dann bestätigt sich, dass die Pale-Red-Dot-Kampagne tatsächlich einen echten Planeten gefunden hat." Ein Störsignal auf der Basis stellarer Aktivität wäre über die vergangenen 17 Jahre unmöglich so konstant geblieben.
Originalpublikation
Guillem Anglada-Escudé et al.
A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri
publiziert in Nature
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| Quelle:
Text Max-Planck-Institut MPI für Astronomie, August 2016, Autoren: HOR / MP |
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| Exoplaneten |
| Planeten, welche sich um einen sonnenähnlichen Stern ausserhalb unseres Sonnensystems bewegen, heissen Extrasolare Planeten (Exoplaneten). |
| Sternspektren |
| Regenbogenähnliche Zerlegungen des Lichts in unzählige Farbtöne, entsprechend verschiedenen Wellenlängen oder Frequenzen – enthalten bestimmte Muster Tausender von schmalen, dunklen Linien. Präzisionsmessungen weisen die zeitabhängige Blau- und Rotverschiebungen dieser Linien nach und damit indirekt die langsame, durch den umkreisenden Planeten hervorgerufene Bewegung des Sterns. |
| Rote Zwerge |
| Rote Zwerge sind sehr kleine, lichtschwache Sterne, in deren Zentrum Kernfusionsprozesse mit Wasserstoff stattfinden. |
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| Planet Found in Habitable Zone Around Nearest Star |
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Pale Red Dot campaign reveals Earth-mass world in orbit around Proxima Centauri
Astronomers using ESO telescopes and other facilities have found clear evidence of a planet orbiting the closest star to Earth, Proxima Centauri. The long-sought world, designated Proxima b, orbits its cool red parent star every 11 days and has a temperature suitable for liquid water to exist on its surface. This rocky world is a little more massive than the Earth and is the closest exoplanet to us - and it may also be the closest possible abode for life outside the Solar System. A paper describing this milestone finding will be published in the journal Nature on 25 August 2016.
Just over four light-years from the Solar System lies a red dwarf star that has been named Proxima Centauri as it is the closest star to Earth apart from the Sun. This cool star in the constellation of Centaurus is too faint to be seen with the unaided eye and lies near to the much brighter pair of stars known as Alpha Centauri AB.
During the first half of 2016 Proxima Centauri was regularly observed with the HARPS spectrograph on the ESO 3.6-metre telescope at La Silla in Chile and simultaneously monitored by other telescopes around the world [1]. This was the Pale Red Dot campaign, in which a team of astronomers led by Guillem Anglada-Escudé, from Queen Mary University of London, was looking for the tiny back and forth wobble of the star that would be caused by the gravitational pull of a possible orbiting planet [2].
As this was a topic with very wide public interest, the progress of the campaign between mid-January and April 2016 was shared publicly as it happened on the Pale Red Dot website and via social media. The reports were accompanied by numerous outreach articles written by specialists around the world.
Guillem Anglada-Escudé explains the background to this unique search: "The first hints of a possible planet were spotted back in 2013, but the detection was not convincing. Since then we have worked hard to get further observations off the ground with help from ESO and others. The recent Pale Red Dot campaign has been about two years in the planning."
The Pale Red Dot data, when combined with earlier observations made at ESO observatories and elsewhere, revealed the clear signal of a truly exciting result. At times Proxima Centauri is approaching Earth at about 5 kilometres per hour - normal human walking pace - and at times receding at the same speed. This regular pattern of changing radial velocities repeats with a period of 11.2 days. Careful analysis of the resulting tiny Doppler shifts showed that they indicated the presence of a planet with a mass at least 1.3 times that of the Earth, orbiting about 7 million kilometres from Proxima Centauri - only 5% of the Earth-Sun distance [3].
Guillem Anglada-Escudé comments on the excitement of the last few months: "I kept checking the consistency of the signal every single day during the 60 nights of the Pale Red Dot campaign. The first 10 were promising, the first 20 were consistent with expectations, and at 30 days the result was pretty much definitive, so we started drafting the paper!"
Red dwarfs like Proxima Centauri are active stars and can vary in ways that would mimic the presence of a planet. To exclude this possibility the team also monitored the changing brightness of the star very carefully during the campaign using the ASH2 telescope at the San Pedro de Atacama Celestial Explorations Observatory in Chile and the Las Cumbres Observatory telescope network. Radial velocity data taken when the star was flaring were excluded from the final analysis.
Although Proxima b orbits much closer to its star than Mercury does to the Sun in the Solar System, the star itself is far fainter than the Sun. As a result Proxima b lies well within the habitable zone around the star and has an estimated surface temperature that would allow the presence of liquid water. Despite the temperate orbit of Proxima b, the conditions on the surface may be strongly affected by the ultraviolet and X-ray flares from the star - far more intense than the Earth experiences from the Sun [4].
Two separate papers discuss the habitability of Proxima b and its climate. They find that the existence of liquid water on the planet today cannot be ruled out and, in such case, it may be present over the surface of the planet only in the sunniest regions, either in an area in the hemisphere of the planet facing the star (synchronous rotation) or in a tropical belt (3:2 resonance rotation). Proxima b's rotation, the strong radiation from its star and the formation history of the planet makes its climate quite different from that of the Earth, and it is unlikely that Proxima b has seasons.
This discovery will be the beginning of extensive further observations, both with current instruments [5] and with the next generation of giant telescopes such as the European Extremely Large Telescope (E-ELT). Proxima b will be a prime target for the hunt for evidence of life elsewhere in the Universe. Indeed, the Alpha Centauri system is also the target of humankind's first attempt to travel to another star system, the StarShot project.
Guillem Anglada-Escudé concludes: "Many exoplanets have been found and many more will be found, but searching for the closest potential Earth-analogue and succeeding has been the experience of a lifetime for all of us. Many people's stories and efforts have converged on this discovery. The result is also a tribute to all of them. The search for life on Proxima b comes next..."
Notes
[1] Besides data from the recent Pale Red Dot campaign, the paper incorporates contributions from scientists who have been observing Proxima Centauri for many years. These include members of the original UVES/ESO M-dwarf programme (Martin Kürster and Michael Endl), and exoplanet search pioneers such as R. Paul Butler. Public observations from the HARPS/Geneva team obtained over many years were also included.
[2] The name Pale Red Dot reflects Carl Sagan's famous reference to the Earth as a pale blue dot. As Proxima Centauri is a red dwarf star it will bathe its orbiting planet in a pale red glow.
[3] The detection reported today has been technically possible for the last 10 years. In fact, signals with smaller amplitudes have been detected previously. However, stars are not smooth balls of gas and Proxima Centauri is an active star. The robust detection of Proxima b has only been possible after reaching a detailed understanding of how the star changes on timescales from minutes to a decade, and monitoring its brightness with photometric telescopes.
[4] The actual suitability of this kind of planet to support water and Earth-like life is a matter of intense but mostly theoretical debate. Major concerns that count against the presence of life are related to the closeness of the star. For example gravitational forces probably lock the same side of the planet in perpetual daylight, while the other side is in perpetual night. The planet's atmosphere might also slowly be evaporating or have more complex chemistry than Earth's due to stronger ultraviolet and X-ray radiation, especially during the first billion years of the star's life. However, none of the arguments has been proven conclusively and they are unlikely to be settled without direct observational evidence and characterisation of the planet's atmosphere. Similar factors apply to the planets recently found around TRAPPIST-1.
[5] Some methods to study a planet's atmosphere depend on it passing in front of its star and the starlight passing through the atmosphere on its way to Earth. Currently there is no evidence that Proxima b transits across the disc of its parent star, and the chances of this happening seem small, but further observations to check this possibility are in progress.
More information
This research is presented in a paper entitled "A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri", by G. Anglada-Escudé et al., to appear in the journal Nature on 25 August 2016.
ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world's most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world's most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world's largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become "the world's biggest eye on the sky".
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