Ströme und Seen auf Titan

Saturnmond Titan: Ströme und Seen aus flüssigen Kohlenwasserstoffen

Bisher galt die Erde als der einzige Ort im Sonnensystem, an dem es regnet und die Niederschläge sich in Flüssen sammeln, bevor sie in ein stehendes Gewässer münden. Nun haben Forscher, darunter auch Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), mit der Raumsonde Cassini einen See auf dem Saturnmond Titan entdeckt.

Ebenso wurde herausgefunden, dass es auf Titan auch regnet und sich aus den Niederschlägen Ströme bilden, die über die Oberfläche fließen und tief eingeschnittene Täler aus der eisigen Landschaft erodieren. "Wir sind uns sicher, dass es auf Titan mindestens einen großen mit Flüssigkeit gefüllten See gibt", erklärt Prof. Ralf Jaumann vom Berliner DLR-Institut für Planetenforschung. "Die Messungen mit dem Spektrometer VIMS an Bord der Cassini-Sonde sind eindeutig: Nahe dem Südpol des Titan haben wir einen See entdeckt, der mit flüssigem Ethan gefüllt ist: In dem See steht gewissermaßen flüssiges Erdgas."

Wahrscheinlich ist, dass sich das Ethan mit anderen Flüssigkeiten vermischt hat, wie beispielsweise Methan oder anderen leichten Kohlenwasserstoffen aus der Familie der Alkane. Der jetzt gefundene See trägt den Namen Ontario Lacus, in Anlehnung an den 300 Kilometer langen Ontariosee in der Nähe der Niagarafälle an der Grenze zwischen den USA und Kanada, dem er in seiner Größe und vom Umriss her ähnelt.

In einer zweiten Studie, die unter Federführung von Prof. Jaumann entstand, untersuchten die Forscher in anderen Gebieten auf dem Titan weit verzweigte Täler. "Diese können eigentlich nur durch die Erosionswirkung einer Flüssigkeit entstanden sein", erklärt der Berliner Planetenforscher, der auch an der Forschungsarbeit zu Ontario Lacus maßgeblich beteiligt ist. Erstmal wurde dieses "Gewässernetz" in einer hügeligen Landschaft auf dem Titan in Bildern der Atmosphärensonde Huygens entdeckt, die mit Cassini zum Saturn befördert wurde und am 14. Januar 2005 durch die Titanatmosphäre flog, ehe sie sicher auf dem Saturnmond landete.

Täler, in denen fast so viel Flüssigkeit strömt, wie im Rhein
Wissenschaftler vermuteten seit längerem, dass es auf dem Titan, dessen dichte Atmosphäre keinen direkten Blick auf seine Oberfläche ermöglicht, flüssiges Methan, Ethan oder andere leichte Kohlenwasserstoff-Verbindungen gibt. Allerdings ist die Titanatmosphäre so dicht, dass mit gewöhnlichen Kameras nur ein verschwommener Blick auf die eisige Oberfläche des Mondes möglich ist. Nur durch so genannte "atmosphärische Fenster", in ganz bestimmten, eng begrenzten Wellenlängen des nahen Infrarot, ist es möglich, Details der Titanlandschaft zu erkennen.

"Inzwischen haben wir auch an zahlreichen anderen Stellen auf dem Titan mit dem Spektrometer und dem Radar-Instrument derartige Talsysteme entdeckt", erklärt DLR-Forscher Jaumann. "Unsere Auswertungen zeigen, dass in diesen Tälern zumindest zeitweise erhebliche Mengen an Flüssigkeiten geflossen sein müssen." Angepasst an die Bedingungen auf dem Titan könnten bis zu 1600 Kubikmeter Flüssigkeit pro Sekunde in den Gräben geströmt sein – das sind etwa zwei Drittel der Wassermenge, die aus dem Rhein in die Nordsee fließt.

Die flüssigen Kohlenwasserstoffe können nur zwei Quellen haben: Entweder regnet es aus der Atmosphäre des Titan gelegentlich Methan und Ethan, oder vulkanische Wärme aus dem Innern des Mondes mobilisieren die bei minus 180 Grad flüssigen Kohlenwasserstoffe aus dem Innern. "Wir tendieren dazu, Niederschläge als die wahrscheinliche Quelle der Flüssigkeiten anzunehmen, weil die verzweigten Talsysteme sich über weite Gebiete erstrecken und nicht von singulären Quellen ausgehen, beantworten lassen wird sich das aber erst mit weiteren Messungen, die wir für die kommenden zwei Jahre geplant haben."

Erste Hinweise auf Seen und Flüsse auf Titan
Der Nachweis, dass sich im Ontario Lacus tatsächlich eine Flüssigkeit befindet, gelang mit Messungen des Spektrometers VIMS (Visual and Infrared Mapping Spectrometer), einem abbildenden Spektrometer für das sichtbare Licht und Wellenlängen des nahen Infrarots an Bord von Cassini. Das VIMS-Team, in dem auch Ralf Jaumann Mitglied ist, veröffentlicht seine Forschungsergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature, sowie in der Fachzeitschrift Icarus.

Damit ist ein wichtiger Fortschritt in der Erforschung des Titan und des Saturnsystems markiert worden: Zwar wurde schon vor der Cassini-Mission spekuliert, dass es auf Titan sogar einen Ozean aus Methan oder Ethan gibt. Doch weder die bisherigen Messungen von Cassini aus der Umlaufbahn um den Saturn, noch die Experimente der von Cassini abgetrennten Atmosphärensonde Huygens, die am 14. Januar 2005 auf der Eisoberfläche des Titan landete, lieferten eindeutige Beweise für einen solchen Ozean. Nach insgesamt 40 Titanvorbeiflügen seit der Ankunft von Cassini am 30. Juni 2004 im Saturnsystem ist nun der Nachweis gelungen, daß es zwar keinen Ozean auf Titan gibt, aber doch Seen und einen komplexen Flüssigkeitskreislauf.

Die Vermutung, auf Titan gebe es aber wenigstens vereinzelt stehende Gewässer, existiert seit Mitte 2005, als das Cassini-Kamerasystem Teile der Südhalbkugel mit einem Filter im nahen Infrarot aufgenommen hatte. Darin war Ontario Lacus als ebene, das Licht kaum reflektierende Fläche zu erkennen. Später entdeckte das Radar von Cassini in hohen nördlichen Breiten zahlreiche ausgedehnte, auffallend glatte und an Seen erinnernde Flächen.

Ähnlich wie bei Ontario Lacus stellten die Forscher auch für diese nördliche "Seenplatte" ein ziemlich schwaches Reflexionsvermögen fest. Auch mit VIMS wurde diese Gegend damals untersucht. Doch waren die Messungen wegen der dort dichteren Atmosphäre stark verrauscht und zudem in ihrer Auflösung zu niedrig, so dass keine genaueren Erkenntnisse möglich waren. Wenn Ende kommenden Jahres auf der Nordhalbkugel Titans der Frühling einsetzt, werden der Orbit von Cassini und die Voraussetzungen für genauere Beobachtungen mit VIMS viel günstiger sein. Damit kann vielleicht auch für diese Flächen der Nachweis erbracht werden, dass es sich um Seen handelt.

Titan ist eines der spannendsten "Urzeitlabore" im Sonnensystem
Titan ist mit einem Durchmesser von 5150 Kilometern der zweitgrößte Mond im Sonnensystem – und der einzige, der von einer nennenswerten Atmosphäre umgeben ist. Die Gashülle des Titan besteht zu etwa 95 Prozent aus Stickstoff, dazu kommen Spuren von Methan und Ethan. Damit ähnelt sie der Erdatmosphäre zu einer Zeit, bevor diese sich vor drei bis vier Milliarden Jahren durch die Evolution des Lebens zu verändern begann. Wegen der Existenz organischer Moleküle, also Kohlenwasserstoff-Verbindungen, ist die Titanatmosphäre ein spannendes Labor, um chemische Prozesse zu studieren, wie sie vor drei bis vier Milliarden Jahren auf der Erde abliefen. Unter der Eiskruste des Titan vermuten einige Forscher sogar eine Schicht geschmolzenen Wassers, einen Ozean in mehreren Kilometern Tiefe. All dies macht den Saturntrabanten zu einem der interessantesten Ziele der Erforschung des Sonnensystems.

Die Mission Cassini-Huygens ist ein gemeinsames Projekt der NASA, der europäischen Weltraumorganisation ESA und der Italienischen Weltraumagentur ASI. Das Jet Propulsion Laboratory, eine Einrichtung des California Institute of Technology in Pasadena (Kalifornien), leitet und führt die Mission für die NASA. Das DLR ist mit mehreren Wissenschaftlern an der Mission beteiligt. Die Raumfahrt-Agentur des DLR unterstützt die Mission über die ESA und fördert die an der Mission beteiligten Wissenschaftler an deutschen Universitäten und in der Max-Planck-Gesellschaft. Die Mission Cassini wurde erst am 1. Juli 2008 für zwei weitere Jahre verlängert. Bis Mitte 2010 wird die Sonde noch weitere 60 Saturnumrundungen absolvieren und dabei 26 Mal nahe am Titan vorbeifliegen.

Quelle: DLR

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«Hubble» nutzt natürliche Lupe

Garching (dpa) - Das Weltraumteleskop «Hubble» hat mithilfe einer natürlichen Lupe das Licht von zehn Galaxien aufgefangen, das fast so alt ist wie das Universum selbst. Die Strahlung war rund 13 Milliarden Jahre unterwegs, bis sie auf das Teleskop traf, wie das europäische «Hubble»-Zentrum in Garching bei München mitteilte. Das Universum entstand im Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren.

Die Entdeckung der 13 Milliarden Lichtjahre entfernten Welteninseln gelang nur, weil das Weltraumteleskop eine natürliche Lupe zu Hilfe nehmen konnte: Große Galaxienhaufen im Vordergrund wirken mit ihrer gigantischen Masse gemäß Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie wie eine Art Vergrößerungsglas. Die normalerweise nicht sichtbaren fernen Galaxien im Hintergrund erscheinen dadurch auf den «Hubble»-Aufnahmen als ringförmig verzerrte Striche.

Die Entdeckung von gleich zehn der entfernten Galaxien deute darauf hin, dass es im jungen Universum vermutlich bereits viele, eher kleine Galaxien gegeben habe, erläuterte das «Hubble»-Zentrum. Astronomen rätseln, ob der Kosmos in seiner Jugend von vielen kleinen oder wenigen großen Galaxien bevölkert wurde.

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Englischer Original-Text mit Erläuterungen in Deutsch:

News release: Lenses galore – Hubble finds large sample of very distant galaxies

 

24-July-2008 New Hubble Space Telescope observations of six spectacular galaxy clusters acting as gravitational lenses have given significant insights into the early stages of the Universe. Scientists have found the largest sample of very distant galaxies seen to date: ten promising candidates thought to lie at a distance of 13 billion light-years (~redshift 7.5). (13 Mrd. Jahre, z = 7,5, d.h. der Kosmos war damals 8,5 mal kleiner als heute)

 

By using the gravitational magnification from six massive lensing galaxy clusters, the NASA/ESA Hubble Space Telescope has provided scientists with the largest sample of very distant galaxies seen to date. Some of the newly found magnified objects are dimmer than the faintest ones seen in the legendary Hubble Ultra Deep Field, which is usually considered the deepest image of the Universe.

 

By combining both visible and near-infrared observations from Hubble’s Advanced Camera for Surveys (ACS) and Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), scientists searched for galaxies that are only visible in near-infrared light. They uncovered 10 candidates believed to lie about 13 billion light-years away (a redshift of approximately 7.5), which means that the light gathered was emitted by the stars when the Universe was still very young — a mere 700 million years old.

 

These candidates could well explain one of the big puzzles plaguing astronomy today. We know that the Universe was reionised within the first 5-600 million years after the Big Bang, but we don’t know if the ionising energy came from a smaller number of big galaxies or a more plentiful population of tiny ones”, said Johan Richard, from the California Institute of Technology. The relatively high number of redshift 7.5 galaxies claimed in this survey suggests that most of the ionising energy was produced by dim and abundant galaxies rather than large, scarce ones.

Reionisation: Nach der Abkühlung des heißen Urknallgases bestand der Kosmos aus neutralem H-Gas. Die Bildung erster strahlender Objekte (Sterne, Galaxien) produzierte UV- Strahlung, die das neutrale H-Gas dann erneut ionisierte.

 

The challenge for astronomers is that galaxies beyond a distance of 13 billion light-years (past a redshift of 7) are exceedingly faint and are only visible in the near-infrared — just at the limit of what Hubble can observe” explained Jean-Paul Kneib from the Laboratoire d’astrophysique de Marseille. This new result was only made possible with some cosmic assistance in the form of gravitational lensing that magnified the light from the distant galaxies enough for Hubble to detect them. A firm confirmation of their distance was beyond even the capabilities of the 10-meter Keck telescope and must await powerful future ground-based telescopes.

 

First observationally confirmed in 1979, gravitational lenses were predicted by Albert Einstein’s theory of General Relativity, a theory that allows astronomers to calculate the path of starlight as it moves through curved space-time. According to the theory, the bending of light is brought about by the presence of matter in the Universe, which causes the fabric of space-time to warp and curve.

 

Gravitational lensing is the result of this warping of spacetime and is mainly detected around very massive galaxy clusters. Due to the gravitational effect of both the cluster’s observable matter and hidden dark matter, the light is bent around the cluster. This bending of light allows the clusters in certain places to act as natural gravitational telescopes that give the light of faint and faraway objects a boost.

 

Where Earth-bound telescopes fail to detect such faint and distant objects due to the blurring (Turbulenzen, seeing) introduced by the Earth’s atmosphere, a combination of Hubble’s location in space and the magnification of the gravitation lenses provides astronomers with a birds-eye view of these elusive objects.

 

This technique has already been used numerous times by Hubble and has helped astronomers to find and study many of the most distant known galaxies.

 

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Schwarzes Loch mit Gravitationsantrieb

Erstmals haben Forscher ein supermassives schwarzes Loch beobachtet, das – durch Gravitationswellen angetrieben – seine Muttergalaxie verlässt.

Es klingt ein wenig wie Sciencefiction: Zwei schwarze Löcher im Herzen einer Galaxie verschmelzen miteinander und erzeugen Gravitationswellen, die das so entstandene superschwere schwarze Loch aus der Galaxie herauskatapultieren. Vor ein paar Jahren haben Theoretiker ein solch spektakuläres Szenario am Computer simuliert. Jetzt hat ein Team um Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) eine derartige „Gravitationsrakete“ tatsächlich aufgespürt – mit weitreichenden Folgen für unser Verständnis der Galaxienentstehung und -entwicklung im frühen Universum.

Der Fund der Max-Planck-Wissenschaftler belegt erstmals eines dieser extremen Ereignisse, die bisher nur in Supercomputern simuliert wurden. Danach, so die Theorie, breiten sich beim Verschmelzen zweier schwarzer Löcher enorme Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit aus. Da die Wellen bevorzugt in eine Richtung ausgesandt werden, erhält das schwarze Loch selbst einen Rückstoß. Das ähnelt dem Vorgang beim Abschießen eines Gewehrs oder beim Start einer Rakete. Dadurch verharrt das schwarze Loch nicht länger im Kern des Milchstraßensystems, sondern beginnt zu wandern. Erreicht es eine bestimmte Geschwindigkeit, verlässt es schließlich seine Muttergalaxie.

 

Abb.: Geschoss aus dem Kern: Erstmals haben Forscher ein supermassives schwarzes Loch beobachtet, das – durch Gravitationswellen angetrieben – seine Muttergalaxie verlässt. Die Illustration zeigt dieses Szenario. (Bild: MPE/HST-Archiv)

Den Astrophysikern fiel das schwarze Loch im Sloan-Himmelsatlas durch seine sehr hohe Geschwindigkeit auf: Das Gas um das schwarze Loch zeigte im Spektrum stark verschobene Linien. Daraus schlossen die Forscher, dass sich das kosmische Schwergewicht – es enthält einige 100 Millionen Sonnenmassen - mit einem Tempo von knapp 3000 Kilometern pro Sekunde bewegt. Zum Vergleich: Würde man in München mit dieser Geschwindigkeit starten, hätte man innerhalb von weniger als einer Sekunde Afrika erreicht. Die ungeheure Stärke dieses Rückstoßes katapultierte das schwarze Loch aus seiner Muttergalaxie heraus.

Neben den Spektrallinien von Gas, das an das schwarze Loch gebunden ist, fielen auch ungewöhnlich schmale Linien aus der Galaxie selbst auf – sie stammen von Materie, die dort zurückgelassen wurde: Dieses Gas ist nicht an das schwarze Loch gekoppelt, wird aber von dessen Akkretionsscheibe beleuchtet, also von dem Strudel um diese Gravitationsfalle.

Wird ein schwarzes Loch aus dem Kern einer Galaxie gestoßen, nimmt es die direkt umgebende Materie bis auf einen geringen Rest mit und findet damit noch für viele Millionen Jahre „Nahrung“. Es saugt weiterhin Gas aus der Scheibe auf, und dieses Gas leuchtet im Röntgenlicht. Tatsächlich hat das Team um Stefanie Komossa auch den Röntgenschein um das zehn Milliarden Lichtjahre entfernte schwarze Loch entdeckt: Die Himmelsregion wurde zufällig durch den Satelliten ROSAT erfasst; ganz am Rand des Gesichtsfelds lag eine Röntgenquelle, deren Position mit jener der fernen Galaxie übereinstimmt.

Gekräuselte Raumzeit
Astrophysiker interessieren sich stark für Gravitationswellen und ihre Effekte. Denn diese von Albert Einstein vorausgesagten Wellen zählen zu den energiereichsten Prozessen im Universum. Sie kräuseln die Struktur der Raumzeit wie ein in den See geworfener Stein die Wasseroberfläche. Im Jahr 2006 verschmolzen die Forscher erstmals in Computersimulationen schwarze Löcher und berechneten die dabei entstehenden Gravitationswellen-Signale.

Ein Jahr später gelang ein weiterer Durchbruch: Supercomputer wiesen die ungeheure Stärke des Rückstoßes beim Verschmelzen zweier schwarzer Löcher nach. Die Ergebnisse des Teams um Komossa bedeuten nun einen weiteren Meilenstein der Gravitationswellen-Forschung, da sie den bisher nur simulierten „Raketeneffekt der Gravitation“ durch reale Beobachtungen bestätigen.

Zudem beweist die jüngste Entdeckung indirekt, dass schwarze Löcher tatsächlich miteinander verschmelzen. Auch für diesen theoretisch postulierten Prozess gab es bisher keine eindeutigen Belege. Aus der Beobachtung folgt außerdem, dass es Galaxien ohne schwarze Löcher in den Kernen geben muss – und auf der anderen Seite intergalaktische schwarze Löcher existieren, die auf alle Ewigkeit im Raum zwischen den Galaxien treiben.

Das wirft neue Fragen für die Forschung auf: Bildeten und formierten sich Galaxien und schwarze Löcher in der Frühphase des Universums gemeinsam? Oder gab es eine Population von Galaxien, die ihrer schwarzen Löcher im Kern beraubt wurden? Wie entwickelten sich diese Galaxien dann weiter?

In engem Wechselspiel zwischen Theorie und Beobachtung wollen die Astrophysiker jetzt diese Fragen klären. Unter anderem sollen verschiedene Detektoren auf dem Erdboden und im Weltraum, darunter das derzeit im Bau befindliche Weltraum-Interferometer LISA, in naher Zukunft auf die Fährte der Gravitationswellen angesetzt werden. Für diese weitergehenden Untersuchungen sind die Erkenntnisse des Max-Planck-Teams wichtig.

Quelle: MPG [MC/HOR]

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A Trio of Super-Earths

A harvest of low-mass exoplanets discovered with HARPS

Today, at an international conference, a team of European astronomers announced a remarkable breakthrough in the field of extra-solar planets. Using the HARPS instrument at the ESO La Silla Observatory, they have found a triple system of super-Earths around the star HD 40307. Moreover, looking at their entire sample studied with HARPS, the astronomers count a total of 45 candidate planets with a mass below 30 Earth masses and an orbital period shorter than 50 days. This implies that one solar-like star out of three harbours such planets.

"Does every single star harbour planets and, if yes, how many?" wonders planet hunter Michel Mayor from Geneva Observatory. "We may not yet know the answer but we are making huge progress towards it."

Since the discovery in 1995 of a planet around the star 51 Pegasi by Mayor and Didier Queloz, more than 270 exoplanets have been found, mostly around solar-like stars. Most of these planets are giants, such as Jupiter or Saturn, and current statistics show that about 1 out of 14 stars harbours this kind of planet.

"With the advent of much more precise instruments such as the HARPS spectrograph on ESO's 3.6-m telescope at La Silla, we can now discover smaller planets, with masses between 2 and 10 times the Earth's mass," says Stéphane Udry, one of Mayor's colleagues. Such planets are called super-Earths, as they are more massive than the Earth but less massive than Uranus and Neptune (about 15 Earth masses).

The group of astronomers have now discovered a system of three super-Earths around a rather normal star, which is slightly less massive than our Sun, and is located 42 light-years away towards the southern Doradus and Pictor constellations.

"We have made very precise measurements of the velocity of the star HD 40307 over the last five years, which clearly reveal the presence of three planets," says Mayor.

The planets, having 4.2, 6.7, and 9.4 times the mass of the Earth, orbit the star with periods of 4.3, 9.6, and 20.4 days, respectively.

"The perturbations induced by the planets are really tiny - the mass of the smallest planets is one hundred thousand times smaller than that of the star - and only the high sensitivity of HARPS made it possible to detect them," says co-author François Bouchy, from the Institut d'Astrophysique de Paris, France.

Indeed, each planet induces a motion of the star of only a few metres per second.

At the same conference, the team of astronomers announced the discovery of two other planetary systems, also with the HARPS spectrograph. In one, a super-Earth (7.5 Earth masses) orbits the star HD 181433 in 9.5 days. This star also hosts a Jupiter-like planet with a period close to 3 years. The second system contains a 22 Earth-mass planet having a period of 4 days and a Saturn-like planet with a 3-year period as well.

"Clearly these planets are only the tip of the iceberg," says Mayor. "The analysis of all the stars studied with HARPS shows that about one third of all solar-like stars have either super-Earth or Neptune-like planets with orbital periods shorter than 50 days."

A planet in a tight, short-period orbit is indeed easier to find than one in a wide, long-period orbit.

"It is most probable that there are many other planets present: not only super-Earth and Neptune-like planets with longer periods, but also Earth-like planets that we cannot detect yet. Add to it the Jupiter-like planets already known, and you may well arrive at the conclusion that planets are ubiquitous," concludes Udry. 

Erläuterung:

Stern und Planet(en) umkreisen einen gemeinsamen Schwerpunkt, d.h. auch der Stern bewegt sich, wenn auch minimal. Durch den Doppler-Effekt kann man wenn der Stern sich in Richtung Erde bewebt eine Blauverschiebung der Spektrallinien beobachten, bei Entfernugn eine Rotverschiebung. Mit einem hochauflösenden Spektrographen kann man die Wellenänderungen vermessen und so Sternbewegungen feststellen, die wenige Meter/Sekunde betragen (Fußgängergeschwindigkeit!). Periodendauer und Geschwindigkeit gestatten die Massenberehcnung des Planeten. Unbekannt ist häufig die Bahnneigung i, weshalb nur m*sin i angegeben werden kann.

In den folgenden Kurven sind die durch die jeweiligen Planeten gemessenen Sterngeschwindigkeiten dargestellt (Radialgeschwindigkeitskurven):

The HARPS radial velocity measurements of HD 40307 are folded with the orbital periods of the three discovered planets: 4.3, 9.6, and 20.4 days, respectively. In each case, the contribution of the two other planets has been subtracted. The solid line shows the best fit to the measurements, corresponding to minimum masses of 4.2, 6.7, and 9.4 Earth masses. Note that the full span of the vertical axis is only 10 m/s! Error bars indicate the accuracy of the measurements.

Aus Pro-Physik.de:

Mini-Sonnensystem im Weltall

Garching (dpa) - Astronomen haben in unserer Galaxie gleich drei Super-Erden entdeckt, die denselben Stern umkreisen. Der Stern HD 40307 sei unserer Sonne ähnlich, und der kleinste der drei Exoplaneten habe nur die rund vierfache Masse der Erde, teilte die Europäische Südsternwarte (ESO) am Montag in Garching bei München mit. Als Super-Erden werden alle Planeten außerhalb unseres Sonnensystems mit der ein bis 15-fache Masse der Erde bezeichnet.

Der nun untersuchte Stern befindet sich 42 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung der Süd-Sternbilder Dorado (Schwertfisch) und Pictor (Malerstaffelei). Die drei Exoplaneten haben die 4,2 bis 9,4- fache Masse der Erde. Sie umkreisen ihren Stern jedoch wesentlich schneller als unser Heimatplanet die Sonne: In 4,3, 9,6 und 20,4 Tagen. Gefunden wurden die Planeten, weil sie mit ihrer Anziehungskraft ihren Stern bei jeder Umkreisung hin und her bewegen. Wie die Planeten beschaffen sind, berichten die Forscher nicht.

Die Entdeckung gelang mit dem HARPS-Spektrograph auf dem 3,6- Meter-Teleskop der ESO im chilenischen La Silla. Mit diesen Instrumenten «können wir nun kleinere Planeten mit der zwei- bis zehnfachen Masse der Erde erspähen», sagte der beteiligte Astronom Stéphane Udry vom Observatorium der Universität Genf auf der internationalen Konferenz Extra Solar Super-Earths in Nantes (Frankreich).

Auf der Konferenz wurden zwei weitere mit HARPS erspähten Planetensystem vorgestellt mit jeweils zwei Planeten. «Diese gesamten Planeten sind nur die Spitze des Eisbergs», sagte Michael Mayor, ebenfalls von der Universität Genf. «Die Analyse der mit HARPS untersuchten Sterne zeigt, dass etwa ein Drittel der sonnenähnlichen Sterne entweder Super-Erden oder neptunähnliche Planeten mit einer Umlaufzeit unter 50 Tagen haben.» Exoplaneten mit kürzerer Zeit sind leichter zu finden als mit längerer.

Auf die erste Entdeckung eines Exoplaneten 1995 folgten bislang rund 300 weitere. Die meisten sind allerdings lebensfeindliche Gasriesen wie Jupiter oder Saturn.

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Aus Pro-Physik.de:
 
Doppeltes Schwarzes Loch bestätigt Relativitätstheorie
 
Messungen am Quasar OJ 287 – bei dem Astronomen davon ausgehen, dass sich zwei massereiche Schwarze Löcher gegenseitig umkreisen – liefern einen weiteren Beweis für die Korrektheit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Der Quasar OJ 287 ist eine Ausnahme: Seine Lichtkurve ist nicht unregelmäßig wie sonst bei Quasaren üblich, sondern zeigt alle zwölf Jahre zwei große Ausbrüche. Eine mögliche Erklärung für diese Regelmäßigkeit liefert ein Modell, in dem zwei massereiche Schwarze Löcher sich gegenseitig umkreisen. Einem internationalen Forscherteam gelang es nun, dieses Modell durch weitere Beobachtungen zu bestätigen. Die Messungen liefern zugleich einen weiteren Beweis für die Korrektheit der Allgemeinen Relativitätstheorie. 

„Unsere Beobachtungen bestätigen, dass es sich um zwei Schwarze Löcher handelt und zeigen außerdem, dass die Abnahme der Bahnenergie in guter Übereinstimmung mit der Abstrahlung von Gravitationswellen durch das System ist“, schreiben Mauri Valtonen von der Universität Turku in Finnland und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“. „Ohne Gravitationswellen hätte der Ausbruch 20 Tage später auftreten müssen.“ 

OJ 287 ist 3,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. In dem bereits 1988 von Valtonen und anderen entwickelten Modell umläuft ein Schwarzes Loch mit der rund 100-millionenfachen Masse der Sonne das noch einmal erheblich massereichere zentrale Schwarze Loch des Quasars. Die Umlaufbahn des kleineren Schwarzen Lochs ist dabei stark elliptisch und gegen die Rotationsebene des größeren Schwarzen Lochs geneigt. Deshalb durchstößt das kleine Schwarze Loch bei jedem Umlauf zweimal die Akkretionsscheibe aus heißem Gas um das zentrale Schwarze Loch. Diese beiden Kollisionen führen zu den regelmäßigen Strahlungsausbrüchen. 

 

Abb. (s.o.): Das Modell für den Quasar OJ 287: Ein Schwarzes Loch mit der 100-millionenfachen Masse der Sonne umkreist ein Schwarzes Loch mit 18 Milliarden Sonnenmassen. Auf seinem 12 Jahre dauernden Umlauf durchstößt es zweimal die Akkretionsscheibe um das größere Schwarze Loch und löst dadurch Strahlungsausbrüche aus. (Quelle: Universität Turku / M. Valtonen) 

Beobachtungen der beiden Ausbrüche in den Jahren 1994 und 1995, sowie des ersten Ausbruchs des nächsten Umlaufs im Jahr 2005 führten zu einer weiteren Verfeinerung des Modells und zu der Vorhersage, dass der zweite Ausbruch am 13. September 2007 eintreten sollte. Diese Vorhersage konnte durch über einhundert Messungen, an denen auch Amateurastronomen beteiligt waren, bestätigt werden.

Damit konnten Valtonen und seine Kollegen nicht nur ihr Modell bestätigen, sondern auch die Masse des zentralen Schwarzen Lochs direkt messen: Sie beträgt 18 Milliarden Sonnenmassen. Da die starken Gravitationsfelder der beiden Schwarzen Löcher die Raumzeit-Geometrie in ihrer Umgebung stark beeinflussen, bestätigt das Modell außerdem die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. So beträgt etwa die relativistische Präzession der Umlaufbahn des kleineren Schwarzen Lochs in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen 39 Grad pro Umlauf.

Eine weitere wichtige Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Abstrahlung von Gravitationswellen bei massereichen Doppelsystemen. 1993 erhielten Russell Hulse and Joseph Taylor den Physik-Nobelpreis für ihren indirekten Nachweis von Gravitationswellen durch die Messung der Abnahme der Bahnenergie bei dem Doppelpulsar PSR 1913+16. Valtonen und sein Team konnten dieses Phänomen nun auch bei OJ 287 nachweisen – wo der Effekt, bedingt durch die weitaus größeren Massen, allerdings noch erheblich stärker ist.

„Es handelt sich um die stärkste bekannte Abstrahlung von Gravitationswellen“, so Valtonen, „die Leistung im Gravitationswellenbereich ist vergleichbar mit der Gesamtleuchtkraft des Objekts im elektromagnetischen Spektrum.“ Damit ist OJ 287 nach Ansicht des Forschers ein herausragendes Objekt für den Gravitationswellendetektor LISA, der im kommenden Jahrzehnt im Weltall stationiert werden soll. 

Rainer Kayser

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Weitere Literatur:
  • A. Sillanpää et al., OJ287 – Binary pair of supermassive black holes, Astrophysical Journal 325, 628 (1988).
  • H. J. Lehto und M. J. Valtonen, OJ287 outburst structure and a binary black hole model, Astrophysical Journal 460, 207 (1996).
  • M. J. Valtonen et al., Predicting the next outbursts of OJ287 in 2006–2010, Astrophysical Journal 646, 36 (2006).