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Jul 19, 2023

400 wandernde Erde

Das demnächst erscheinende Nancy Grace Roman Telescope der NASA wird nach „kosmischen Waisenkindern“ suchen, sternenlosen Planeten, die möglicherweise sogar zahlreicher sind als ihre umlaufenden Gegenstücke in unserer Galaxie. Neue Vorhersagen deuten auf ein bevorstehendes hin

Das demnächst erscheinende Nancy Grace Roman Telescope der NASA wird nach „kosmischen Waisenkindern“ suchen, sternenlosen Planeten, die möglicherweise sogar zahlreicher sind als ihre umlaufenden Gegenstücke in unserer Galaxie.

Neue Vorhersagen deuten darauf hin, dass ein bevorstehendes NASA-Weltraumteleskop über 400 Welten mit Erdmasse entdecken könnte, die in der gesamten Milchstraße verborgen sind und „abtrünnig geworden“ sind und daher allein durch unsere Galaxie wandern.

Es wird angenommen, dass solche verwaisten Welten ihr Leben in einem Planetensystem beginnen, das dem Sonnensystem ähnelt, aber irgendwann durch einen bisher unbekannten Mechanismus herausgeschleudert werden. Trotz des bekannten Bildes von Planeten, die einen Stern sauber umkreisen, deuten neue Forschungsergebnisse darauf hin, dass solche verwaisten sternenlosen Welten möglicherweise 20 zu 1 zahlreicher sind als die Sterne in der Milchstraße. Dies bedeutet, dass ungebundene Welten in unserer Galaxie etwa sechsmal häufiger vorkommen als Planeten, die Muttersterne umkreisen.

„Wir schätzen, dass unsere Galaxie 20-mal mehr außerirdische Planeten beherbergt als Sterne – Billionen von Welten, die allein umherwandern“, sagte Forschungsautor und leitender NASA-Wissenschaftler David Bennett in einer Erklärung. „Dies ist die erste Messung der Anzahl von Schurkenplaneten in der Galaxie, die empfindlich auf Planeten reagiert, die weniger massereich als die Erde sind.“

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Typischerweise werden Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten, anhand der Auswirkungen erkannt, die sie auf ihre Muttersterne haben. Beispielsweise kann ein Exoplanet dazu führen, dass Betrachter auf der Erde einen Rückgang des Lichts seines Sterns beobachten, während die Flugbahn des Planeten ihn zwischen dem Stern und unserem Planeten hin- und herführt. Oder ein Exoplanet kann dieses Licht durch eine Schwankung beeinflussen, die er in der Umlaufbahn seines Muttersterns erzeugt, während er durch die Schwerkraft an dem leuchtenden Körper zieht. Aber die Tatsache, dass Schurkenplaneten so weit von ihren Muttersternen entfernt sind, macht es schwierig, sie zu entdecken.

Eines der Hauptziele des Nancy Grace Roman Telescope der NASA, wenn das weltraumgestützte Instrument online geht, besteht darin, diese Schurken zu entdecken. Frühere Schätzungen gingen davon aus, dass Roman, das im Mai 2027 startet, in der Lage wäre, etwa 50 erdgroße Schurkenplaneten zu entdecken – aber die neuen Erkenntnisse haben diese Zahl erhöht. Stattdessen deuten sie auf eine Zahl nahe 400 hin. Tatsächlich haben dieselben Astronomen, die hinter den Ergebnissen stehen, bereits einen erdgroßen Schurkenplanetenkandidaten identifiziert, den Roman untersuchen sollte.

Bennett und seine Kollegen kamen zu ihren Schlussfolgerungen anhand von Daten, die während einer neunjährigen astronomischen Untersuchung namens Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) gesammelt wurden. MOA wurde am Mount John University Observatory in Neuseeland durchgeführt und suchte nach Objekten mit Hilfe eines Phänomens, das erstmals in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie namens Gravitationslinsen vorhergesagt wurde – etwas, das Roman auch nutzen wird, um die Schurken zu jagen.

Zwei Artikel, in denen die neuesten Erkenntnisse des Teams beschrieben werden, werden in einer zukünftigen Ausgabe des Astronomical Journal veröffentlicht.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie von 1915 sagt voraus, dass Objekte mit Massen das Gefüge des Raums „verzerren“. Während diese Verformung in drei Dimensionen funktioniert (vier, wenn man die Zeit berücksichtigt), kann man sie sich als analog zum 2D-Effekt vorstellen, der entsteht, wenn Bälle mit unterschiedlichen Massen auf einer gedehnten Gummiplatte platziert werden. Je größer die Masse der Kugel ist, desto tiefer ist die Delle im Blech. Je massereicher das kosmische Objekt ist, desto stärker ist die Verzerrung im Raum.

Wenn außerdem ein sehr massereiches Objekt den Raum verzerrt, kann sich das auch auf das Licht auswirken, das von anderen im Hintergrund befindlichen Objekten emittiert wird, und dazu führen, dass sich diese Lumineszenz verbiegt, wenn sie am kosmischen Abdruck des ursprünglichen Objekts vorbeizieht. Dies kann letztendlich einen Vergrößerungseffekt auf das Hintergrundobjekt erzeugen und so zum Phänomen der Gravitationslinse führen.

Mikrolinse ist eine Variante dieses Konzepts, die auftritt, wenn ein kleineres Objekt, wie ein Planet oder Stern, zwischen der Erde und einer Hintergrundlichtquelle, wie einem Stern oder einer Galaxie, schlüpft und nahezu perfekt auf beide ausgerichtet ist. Dies führt dazu, dass erdgestützte Maschinen einen Anstieg der Helligkeit des Hintergrundobjekts erkennen, der jedoch nicht so extrem ist wie die Auswirkungen des Gravitationslinseneffekts. Dennoch ist die Mikrolinse nützlich, um abtrünnige Planeten und andere kleine Objekte zu entdecken, die kein Licht aussenden und daher fast völlig dunkel sind.

„Mikrolinsen sind die einzige Möglichkeit, Objekte wie frei schwebende Planeten mit geringer Masse und sogar urzeitliche Schwarze Löcher zu finden“, sagte Forschungsautor und Professor an der Universität Osaka Takahiro Sumi. „Es ist sehr aufregend, die Schwerkraft zu nutzen, um Objekte zu entdecken, die wir niemals direkt sehen könnten.“

Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern im Jahr 1995 ist der Exoplanetenkatalog auf über 5.000 dieser faszinierenden Objekte angewachsen. Bei den meisten dieser Planeten handelt es sich jedoch um Riesenwelten, die in der Nähe ihres Muttersterns kreisen.

Außerdem ist der neu entdeckte, etwa erdgroße Schurkenplanet erst das zweite Mal, dass ein solcher Planet mithilfe von Mikrolinsen entdeckt wurde. Das Team hinter der Entdeckung vermutet, dass es sich bei Schurkenwelten normalerweise um kleinere Planeten handelt, deren Größe der Erde ähnelt und kleiner als diese ist.

„Wir haben herausgefunden, dass erdgroße Schurken häufiger vorkommen als massereichere“, sagte Sumi. „Der Unterschied in der durchschnittlichen Masse sterngebundener und freischwebender Planeten ist der Schlüssel zum Verständnis der Mechanismen der Planetenentstehung.“ Die chaotische Natur der Planetenentstehung könnte erklären, warum Schurken überhaupt dazu kommen, allein durch die Galaxie zu wandern. Weniger massereiche Planeten haben einen schwächeren gravitativen Einfluss auf ihre Muttersterne, was bedeutet, dass eine Wechselwirkung in einem sich bildenden System sie leichter wegschleudern kann, sodass sie allein durch den Kosmos wandern können.

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Während Mikrolinsenereignisse nützlich sind, um gefährliche Planeten zu entdecken, ist die Beobachtung dieser Ereignisse in der Weite des Weltraums immer noch so, als würde man eine Planetennadel im kosmischen Heuhaufen entdecken. Und Mikrolinsen-Ereignisse, die durch einzelne Planeten verursacht werden, sind unglaublich selten. Dieses Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass Linsen-Ereignisse, anders als der regelmäßige Transit eines Planeten über die Oberfläche seines Sterns oder das periodische Wackeln, das durch einen umkreisenden Planeten verursacht wird, ein einmaliges Ereignis sind . Wenn diese Planeten einen Hintergrundstern kreuzen, kehren sie nie wieder in dieselbe Region des Weltraums zurück.

Hier kommt das Nancy Grace Roman Telescope ins Spiel.

Mit seinem außergewöhnlich weiten Sichtfeld könnte das Infrarot-Weltraumteleskop ein breiteres Netz auswerfen, um die Schurken einzufangen. Und es wird die nötige Vision haben, um erdgroße verwaiste Planeten zu sehen.

„Roman wird auch auf Schurkenplaneten mit geringerer Masse empfindlich reagieren, da er vom Weltraum aus beobachten kann“, sagte Forschungsautor und Assistenzprofessor an der Universität Osaka, Naoki Koshimoto. „Die Kombination aus Romans weitem Blickwinkel und seiner scharfen Sicht wird es uns ermöglichen, die gefundenen Objekte detaillierter zu untersuchen, als dies mit nur bodengestützten Teleskopen möglich wäre, was eine aufregende Aussicht ist.“

Die Daten von Roman werden mit Beobachtungen des 1,8 Meter großen Prime-Focus-Infrarot-Mikrolinsen-Experiment-Teleskops (PRIME) Japans am South African Astronomical Observatory in Sutherland kombiniert.

„Ein Mikrolinsensignal von einem Schurkenplaneten kann einige Stunden bis zu einem Tag dauern, sodass Astronomen die Möglichkeit haben, gleichzeitige Beobachtungen mit Roman und PRIME durchzuführen“, sagte Koshimoto.

Diese Datenkombination sollte es Astronomen auch ermöglichen, die Massen wandernder Waisenplaneten genauer zu messen und so besser zu bestimmen, was sie überhaupt zu ihrem Abtrünnigen veranlasst hat.

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Robert Lea ist ein Wissenschaftsjournalist im Vereinigten Königreich, dessen Artikel in Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek und ZME Science veröffentlicht wurden. Er schreibt außerdem über Wissenschaftskommunikation für Elsevier und das European Journal of Physics. Rob hat einen Bachelor of Science in Physik und Astronomie von der britischen Open University. Folgen Sie ihm auf Twitter @sciencef1rst.

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