Ein blumenförmiger Satellit im Erdorbit soll dabei helfen, erdähnliche Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu beobachten. Die Machbarkeitsstudie, an der auch der Innsbrucker Astrophysiker Stefan Kimeswenger beteiligt war, wurde in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht. Ziel ist es, Exoplaneten auf lebensnotwendige Moleküle wie Wasser und Sauerstoff zu untersuchen.
Das Problem: Exoplaneten werden überstrahlt
Die Beobachtung von erdähnlichen Exoplaneten – also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, die der Erde ähneln – ist aus einer grundlegenden Tatsache schwierig: „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 vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.
Um dieses Problem zu lösen, schlägt das internationale Forschungsteam – dem unter anderem die Nobelpreisträger Michel Mayor und John Mather angehören – eine Kombination aus einem erdbasierten Teleskop und einem speziell geformten Beschattungs-Satelliten vor. Dieser „Starshade” soll das Licht des Muttersterns gezielt ausblenden, sodass das schwache Licht des Exoplaneten sichtbar wird.
Ein Sonnenschirm mit Blütenblättern
Das vorgeschlagene Konzept: Für die Beobachtung eines erdähnlichen Exoplaneten soll ein am Boden stationiertes Teleskop mit einem blumenförmigen Abschirmkörper kombiniert werden.
Die technischen Anforderungen sind beträchtlich: Der Abschirmkörper müsste einen Durchmesser von 99 Metern haben und auf einer Höhe von nahezu 200.000 Kilometern mit einer Präzision von nur 2 Metern positioniert werden. Entscheidend ist seine besondere Form – er muss einer Blume mit rund 30 Blütenblättern ähneln. 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.” Die spitz zulaufenden Blütenblätter verteilen die Beugungseffekte hingegen in viele Richtungen, wo sie sich gegenseitig weitgehend auslöschen.
In Kombination mit einem Hochleistungsteleskop wie dem Extremely Large Telescope (ELT), das derzeit in Chile errichtet wird, würde ein solcher Starshade zum „Hybrid Observatory for Earth-like Exoplanets” (HOEE) werden.
Nachweis von Wasser und Sauerstoff theoretisch möglich
Die chemische Zusammensetzung einer Planetenatmosphäre lässt sich über die Analyse des Lichtspektrums bestimmen – denn Moleküle verändern das Spektrum auf charakteristische Weise. Kimeswenger konnte in der Studie zeigen, dass eine spektroskopische Untersuchung eines Exoplaneten auf Wasser und Sauerstoff mit dem vorgeschlagenen Setup grundsätzlich möglich wäre.
Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Erdatmosphäre selbst dar: Sie enthält ebenfalls Wasser und Sauerstoff und verändert das eintreffende Licht genau in den relevanten Wellenlängenbereichen. Kimeswenger und sein Team haben jedoch bereits ein Verfahren entwickelt, mit dem sich diese atmosphärischen Einflüsse aus den Messdaten herausrechnen lassen.
Realisierung frühestens ab 2045
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. Angesichts der üblichen Planungs- und Entwicklungszeiträume großer Weltraummissionen 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.”
Die Studie liefert einen wichtigen Machbarkeitsnachweis für die Suche nach lebensfreundlichen Bedingungen auf anderen Planeten. Auch wenn eine Umsetzung noch Jahrzehnte entfernt ist, zeigt sie, dass ein solches Instrument prinzipiell realisierbar wäre – ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur Frage, ob es außerhalb der Erde Leben gibt.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Stefan Kimeswenger
Institut für Astro- und Teilchenphysik, Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 52040
E-Mail: Stefan.Kimeswenger@uibk.ac.at
GZ
Quelle: Universität Innsbruck
Foto: (c) Ahmed Soliman et al.
