Das erste Porträt eines kühlen Planeten

Größenvergleich zwischen (von links) der Sonne, Jupiter, GJ 758 B and GJ 758. Aufgrund seiner Temperatur von 280 bis 370 Grad Celsius glüht GJ 758 B kirschrot, wie auf seiner vom Zentralstern abgewandten Nachtseite sichtbar. Bild: MPIA/C. Thalmann

olltreffer bei der Planetenjagd: Astronomen aus dem Max-Planck-Institut für Astronomie haben einen lichtschwachen Himmelskörper entdeckt und direkt abgebildet, der den Stern GJ 758 umläuft. Die geschätzte Masse liegt zwischen 10 und 40 Jupitermassen. Demnach handelt es sich bei dem Fund entweder um einen Riesenplaneten oder um einen Braunen Zwerg, eine verhinderte Sonne. Eines ist sicher: Mit einer Temperatur von etwa 330 Grad Celsius ist GJ 758 B der kälteste, jemals direkt abgebildete Begleiter eines sonnenähnlichen Sterns.

Die Entdeckungsaufnahme von GJ 758 B, gewonnen im August 2009 am Subaru-Teleskop mit dem HiCIAO-Instrument im nahen Infrarot. Ohne die hier angewandte Spezialtechnik des "Angular Differential Imaging" würde das Licht des Zentralsterns die Bilder der beiden Planetenkandidaten hoffnungslos überstrahlen. Bild: MPIA/NAOJ

Mehr als 400 Exoplaneten kennen die Forscher derzeit. Die meisten dieser Planeten, die ferne Sterne umlaufen, wurden indirekt nachgewiesen: Man beobachtete entweder deren Einfluss auf die Bewegung oder auf die Helligkeit ihres Zentralsterns. Viel schwieriger ist es, Exoplaneten direkt abzubilden, da sie Lichtjahre entfernt sind. Deshalb erscheinen sie uns unmittelbar neben ihrer Muttersonne und werden von ihr hoffnungslos überstrahlt. Das Unterfangen gleicht dem Versuch, ein Glühwürmchen zu fotografieren, das unmittelbar neben einer im Kilometerabstand angebrachten 300-Watt-Flutlichtlampe herumschwirrt. Bilder jedoch liefern wertvolle Informationen über die Bahn des Planeten, über seine Temperatur und die chemische Zusammensetzung seiner Atmosphäre.

Ein solches Bild gelang Astronomen mit einem neuen Instrument zur Suche nach extrasolaren Planeten - und zwar gleich bei den ersten Beobachtungen. Die HiCIAO genannte Kamera ist am 8-Meter-Teleskop Subaru auf dem Mauna Kea (Hawaii) montiert. Zur Beseitigung der durch Luftturbulenzen verursachten Unschärfe setzten die Forscher modernste adaptive Optik ein. Zwar geht auf jeder einzelnen Aufnahme das winzige Signal des Planeten im verbliebenen Lichthof des Zentralsterns unter; aber durch die raffinierte Kombination zeitlicher Sequenzen von Einzelbildern, das "Angular Differential Imaging" (ADI), konnten die Astronomen den Lichthof des Zentralsterns so weit unterdrücken, dass sich das schwache Leuchten des Begleiters GJ 758 B im endgültigen Bild zeigte.

Vor dieser Entdeckung waren nur zehn mögliche Exoplaneten direkt abgebildet worden. Die Verhältnisse in diesen Systemen unterscheiden sich aber deutlich von denen in unserem eigenen: Entweder umläuft der Planet seinen Zentralstern in sehr großer Entfernung, oder die Temperatur des Begleiters ist höher als 1000 Grad Celsius und entspricht damit eher der eines Sterns als der eines Planeten.

Verglichen mit den anderen Kandidaten ist GJ 758 B den großen Körpern unseres Planetensystems viel ähnlicher: Er umläuft einen sonnenähnlichen Stern in einer Entfernung, welcher derjenigen der äußeren solaren Planeten entspricht - er steht etwa so weit von seinem Zentralstern entfernt wie Neptun von der Sonne. Die Gesamtgröße der Umlaufbahn von GJ 758 B lässt sich anhand der verfügbaren Daten allerdings nur abschätzen. Am wahrscheinlichsten erscheint ein mittlerer Abstand zum Zentralstern von 59 Astronomischen Einheiten (entsprechend 8,85 Milliarden Kilometer).

Besonders interessant ist die vergleichsweise geringe Temperatur des vermeintlichen Planeten, die zwischen 280 und 370 Grad Celsius liegt. "Das entspricht der Temperatur eines Backofens oder jener auf der sonnenzugewandten Seite des Planeten Merkur", sagt Christian Thalmann vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Erstautor der Veröffentlichung. "Damit ist GJ 758 B der kühlste jemals direkt abgebildete Begleiter eines sonnenähnlichen Sterns."

Der äußerste Planet unseres Sonnensystems, Neptun, empfängt nur rund 1/900 des Sonnenlichts, das die Erde erreicht, und hat eine Oberflächentemperatur von lediglich minus 200 Grad Celsius. GJ 758 B ist von seinem Zentralstern mindestens so weit entfernt wie Neptun. Seine wesentlich höhere Temperatur weist darauf hin, dass dieser Körper sich noch in der Phase der Kontraktion befindet, während der die jungen, massereichen Gasplaneten ihre Gravitationsenergie in Wärme umwandeln. Bei einem solchen kontrahierenden Körper sind Temperatur, Alter und Masse miteinander verknüpft: Je massereicher er ist, umso länger dauert es, bis er seine überschüssige Wärme in den Weltraum abgestrahlt und seine Gleichgewichtstemperatur erreicht hat.

"Aus diesem Grund lässt sich auch die Masse von GJ 758 B nicht genauer bestimmen: Seine gemessene Infrarothelligkeit entspricht der eines 700 Millionen Jahre alten Planeten mit 10 Jupitermassen oder aber der eines 8700 Millionen Jahre alten Begleiters mit 40 Jupitermassen", erklärt Markus Janson von der Universität Toronto, ehemals Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie. Da die Zentralsterne gleichzeitig mit ihren Planeten entstehen, würde eine genaue Altersbestimmung des Sterns diese Unsicherheit beseitigen - die bisher verfügbaren Beobachtungsdaten lassen eine solche Altersbestimmung derzeit noch nicht zu.

GJ 758 B wurde während zweier unabhängiger Beobachtungsläufe im Mai und im August 2009 nachgewiesen. Die Aufnahmen zeigen, dass GJ 758 B und der Stern GJ 758 nicht zufällig am Firmament beieinander stehen. Ebenso wie viele andere nahe Sterne besitzt GJ 758 eine Eigenbewegung: Er verändert seine Position am Nachthimmel, wenn auch nur sehr langsam. Auf den Bildern bewegt sich GJ 758 B aber genau so wie ein Planet, den seine Muttersonne mit den Fesseln der Schwerkraft an sich bindet.

Das im August gewonnene Bild ist von etwas höherer Qualität und zeigt ein weiteres, dem Zentralstern etwas näher gelegenes Objekt. Es könnte sich um einen zweiten Begleiter handeln, der dann als GJ 758 C zu bezeichnen wäre. Allerdings muss noch mit einer erneuten, zeitlich versetzten Beobachtung geprüft werden, ob auch dieses Objekt an der gemeinsamen Eigenbewegung des Systems teilnimmt, oder ob es sich um einen Himmelskörper im Hintergrund handelt.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg