15.11.2018

Our corner of the Milky Way is getting rather neighborly. In 2016, astronomers discovered a planet orbiting Proxima Centauri, the nearest star to our sun, just 4 light-years away. Now, they believe they have found an exoplanet around Barnard’s star, which at 6 light-years away is the second-closest star system. The planet—a chilly world more than three times heavier than Earth—is close enough that scientists could learn about its atmosphere with future giant telescopes. “This is going to be one of the best candidates,” says astronomer Nikku Madhusudhan of the University of Cambridge in the United Kingdom, who was not part of the discovery team.

Barnard’s star b, as the new planet is called, was excruciatingly difficult to pin down, and the team is referring to it as a “candidate planet” though it is confident it’s there. Most exoplanets, including the thousands identified by NASA’s recently retired Kepler space telescope, were found using the “transit” technique: looking for a periodic dip in starlight as a planet passes in front. But that method detects only the small fraction of planets that cross their star’s face when viewed from Earth. Despite decades of watching, astronomers haven’t detected any planets transiting Barnard’s star.

But astronomers can also look for planets by measuring their gravitational tug on a star. Hundreds of exoplanets have been found by looking for periodic Doppler shifts in the frequency of starlight. In 2015, astronomers saw hints of such shifts in the light from Barnard’s star. “Then we went hard for it,” says astronomer Ignasi Ribas of the Institute of Space Sciences in Barcelona, Spain, who led the new project.

His team made observations from two ground-based telescopes in Chile and Spain. They also observed with a spectrograph at Spain’s Calar Alto Observatory and added in archival data spanning 20 years from those and four other instruments, giving them a total of nearly 800 measurements. “It was a community effort,” Ribas says. As they report today in Nature, they found that the star’s light oscillated every 322 days, implying a planet orbiting with a 322-day year.

There’s a chance that the oscillations are caused by something that affects the way the star shines in a periodic way, such as star spots. The team has calculated that this is highly unlikely, although still possible. “We’re quite convinced” it is a planet, Ribas says. Madhusudhan isn’t quite so certain: “If confirmed, this will be very good. It shows how hard it is to do this thing.”

From this orbital information, the team calculates the planet must weigh at least 3.2 times as much as Earth. That puts Barnard’s star b squarely into a terra incognita between small rocky planets like Earth and larger gas planets like Neptune. The Kepler mission has shown that such intermediate planets are common across the galaxy, but with no examples among our eight home planets, astronomers have few ideas what they are like. Are they rocky super-Earths, or gaseous mini-Neptunes? “We just don’t know. It’s really hard to tell,” Ribas says.

Finding out more about Barnard’s star b will likely require telescopes able to detect light from the planet itself. That’s hard to do because, viewed from Earth, the planet is close to the star and swamped by its glare. A few telescopes with coronagraphs—devices for masking a star’s light—have directly imaged a few large planets in wide orbits, but something like Barnard’s star b will require the greater resolution of giant telescopes coming in the next decade, such as Europe’s 39-meter Extremely Large Telescope. Observations from these scopes could reveal the planet’s rotation rate, the composition and thickness of its atmosphere, and whether it has clouds. “This would be a dream. We would learn so much about this planet,” Ribas says.

Even if Barnard’s star b is rocky, life would have a hard time taking root on its chilly surface. Although the planet orbits its star much closer than Earth does to the sun, Barnard’s star, a red dwarf, is so dim that its planet gets only 2% of the energy that Earth does. The team estimates surface temperatures of –170°C.

Madhusudhan thinks the result is a sure sign that astronomers will soon find other arrivistes to the stellar neighborhood. “I’m willing to guess there are lots like this nearby,” he says. “The question is, how do we detect them?”

Quelle: Science

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Supererde umkreist Barnards Stern

Red Dots-Programm findet überzeugende Beweise für Exoplaneten um den der Sonne am nächsten liegenden Einzelstern

Der der Sonne nächstgelegene Einzelstern beherbergt einen Exoplaneten, der mindestens 3,2 mal so massereich ist wie die Erde – eine sogenannte Super-Erde. Eines der bisher größten Beobachtungsprogramme mit Daten aus einer weltumspannenden Reihe von Teleskopen, darunter der ESO-Planetenjäger HARPS, hat diese frostige, schwach beleuchtete Welt offenbart. Der neu entdeckte Planet ist der zweitnähste bekannte Exoplanet der Erde. Barnards Stern ist der sich am schnellsten bewegende Stern am Nachthimmel.

Astronomen haben einen Planeten entdeckt, der Barnards Stern umkreist, der nur 6 Lichtjahre entfernt ist. Dieser Durchbruch – angekündigt in einem heute in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel – ist das Ergebnis der Projekte Red Dots und CARMENES, deren Suche nach lokalen Gesteinsplaneten bereits eine neue Welt entdeckt hat, die unseren nächsten Nachbarn, Proxima Centauri, umkreist.

Der Planet, der als Barnard's Star b bezeichnet wird, betritt nun als der Erde zweitnächster bekannter Exoplanet die Bühne [1]. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass der Planet eine Supererde sein könnte, die mindestens die 3,2-fache Masse der Erde aufweist und ihren Mutterstern in etwa 233 Tagen umkreist. Barnards Stern, der Wirtstern des Planeten, ist ein Roter Zwerg, ein kühler, massearmer Stern, der diese neu entdeckte Welt nur schwach beleuchtet. Licht von Barnards Stern versorgt seinen Planeten mit nur 2% der Energie, die die Erde von der Sonne erhält.

Obwohl sich der Exoplanet relativ nah an seinem Zentralstern befindet – in nur 0,4-facher Entfernung von Erde und Sonne – liegt er nahe an der Schneelinie, der Region, in der flüchtige Verbindungen wie Wasser zu festem Eis kondensieren können. Diese eisige, schattige Welt könnte eine Temperatur von -170°C haben, was sie für das Leben, wie wir es kennen, unwirtlich macht.

Benannt nach dem Astronomen E. E. Barnard, ist Barnards Stern der der Sonne am nächsten gelegene Einzelstern. Der Stern selbst ist zwar uralt – wahrscheinlich doppelt so alt wie unsere Sonne – und relativ inaktiv, hat aber auch die schnellste scheinbare Bewegung aller Sterne am Nachthimmel [2]. Supererden sind die häufigste Art von Planeten, die sich um massearme Sterne wie Barnards Stern bilden, was diesem neu entdeckten Planetenkandidaten Glaubwürdigkeit verleiht. Darüber hinaus sagen aktuelle Theorien zur Planetenbildung voraus, dass die Schneelinie der ideale Ort für die Bildung solcher Planeten ist.

Frühere Suchaktionen nach einem Planeten um Barnards Stern herum erbrachten enttäuschende Ergebnisse – dieser jüngste Durchbruch war nur durch die Kombination von Messungen mit mehreren hochpräzisen Instrumenten möglich, die auf Teleskopen auf der ganzen Welt montiert sind [3].

„Nach einer sehr sorgfältigen Analyse sind wir zu 99% zuversichtlich, dass der Planet da ist“, sagte der leitende Wissenschaftler der Forschergruppe, Ignasi Ribas (Institute of Space Studies of Catalonia and the Institute of Space Sciences, CSIC in Spanien). „Wir werden diesen sich schnell bewegenden Stern jedoch weiterhin beobachten, um mögliche, aber unwahrscheinliche natürliche Variationen der stellaren Helligkeit auszuschließen, die als das Signal eines Planeten fehlgedeutet werden könnten.“

Zu den verwendeten Instrumenten gehörten die berühmten Spektrographen und ESO-Planetenjäger HARPS und UVES. „HARPS hat bei diesem Projekt eine wichtige Rolle gespielt. Wir haben Archivdaten anderer Gruppen mit neuen, sich zeitlich überlappenden Messungen von Barnards Stern aus verschiedenen Quellen kombiniert“, kommentierte Guillem Anglada Escudé (Queen Mary University of London), Mitverantwortlicher des Teams, das dieses Ergebnis erzielte [4]. „Die Kombination der Instrumente war der Schlüssel zur Überprüfung unseres Ergebnisses.“

„Bis in die Achtziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts war in beinahe allen professionellen und populären Astronomiebüchern zu lesen, dass zwei Jupiter-artige Planeten bei Barnards Stern gefunden worden seien“, schildert Martin Kürster (Max-Planck-Institut für Astronomie, MPIA), der an der Entschlüsselung des Planeten mitwirkte. „Dies stellte sich durch neuere Messungen, an denen ich zum Teil beteiligt war, als Irrtum heraus. Deswegen ist es jetzt um so faszinierender, dass wir mittlerweile auch dank CARMENES [5] in der Lage sind, diesen wesentlich masseärmeren Planeten nachzuweisen.“

Die Astronomen nutzten den Doppler-Effekt, um den Exoplaneten-Kandidaten zu finden. Während der Planet den Stern umkreist, lässt seine Anziehungskraft den Stern wackeln. Wenn sich der Stern von der Erde entfernt, verschiebt sich sein Spektrum in den roten Bereich, d.h. es verschiebt sich zu höheren Wellenlängen. Ebenso wird das Sternenlicht in Richtung kürzerer, blauerer Wellenlängen verschoben, wenn sich der Stern auf die Erde zubewegt.

Astronomen nutzen diesen Effekt, um die Geschwindigkeitsänderungen eines Sterns, hervorgerufen durch einen umlaufenden Exoplaneten, zu messen – mit erstaunlicher Genauigkeit. HARPS kann Veränderungen der Sterngeschwindigkeit von nur 3,5 km/h erkennen. Das entspricht der Schrittgeschwindigkeit. Dieser Ansatz zur Exoplanetenjagd ist als Radialgeschwindigkeitsmethode bekannt und wurde bislang nicht verwendet, um eine ähnliche Supererde mit solch einem weiten Orbit um ihren Stern zu registrieren.

„Wir haben Beobachtungen von sieben verschiedenen Instrumenten aus 20 Jahren Messzeit verwendet, was diesen zu einem der größten und umfangreichsten Datensätze macht, die jemals für präzise Radialgeschwindigkeitsstudien verwendet wurden“, erklärte Ribas. „Die Kombination aller Daten führte zu insgesamt 771 Messungen - eine riesige Menge an Informationen!“

„Wir haben alle sehr hart an diesem Durchbruch gearbeitet“, schloss Anglada-Escudé. „Diese Entdeckung ist das Ergebnis einer großen Zusammenarbeit im Rahmen des Red Dots-Projekts, zu der auch Beiträge von Experten aus der ganzen Welt beigetragen haben. Nachbeobachtungen sind bereits an verschiedenen Observatorien weltweit im Gange.“

Endnoten

[1] Die einzigen Sterne, die der Sonne näher sind, bilden das Dreifach-Sternsystem Alpha Centauri. Unter Verwendung von ESO-Teleskopen und anderen Einrichtungen fanden Astronomen 2016 klare Hinweise darauf, dass ein Planet den der Erde am nächsten liegenden Stern in diesem System, Proxima Centauri, umkreist. Dieser Planet liegt etwas mehr als 4 Lichtjahre von der Erde entfernt und wurde von einem Team unter der Leitung von Guillem Anglada Escudé entdeckt.

[2] Die Gesamtgeschwindigkeit von Barnards Stern in Bezug auf die Sonne beträgt etwa 500 000 km/h. Trotz dieses rasanten Tempos ist er nicht der schnellste bekannte Stern. Was die Bewegung des Sterns bemerkenswert macht, ist seine Geschwindigkeit, mit der er sich von der Erde aus gesehen über den Nachthimmel zu bewegen scheint, die so genannte Eigenbewegung. Barnards Stern legt alle 180 Jahre am Himmel eine Strecke zurück, die dem Durchmesser des Mondes entspricht. Das mag zwar nicht viel erscheinen, aber es ist bei weitem die schnellste scheinbare Bewegung eines Sterns.

[3] Die für diese Forschung verwendeten Instrumente waren: HARPS am 3,6-Meter-Teleskop der ESO; UVES am VLT der ESO; HARPS-N am Telescopio Nazionale Galileo; HIRES am 10-Meter-Teleskop Keck; PFS am Carnegie 6,5-Meter-Teleskop Magellan; APF am 2,4-Meter-Teleskop am Lick Observatorium; und CARMENES am 3,5-Meter-Teleskop des Calar Alto Observatoriums. Zusätzlich wurden Beobachtungen mit dem 90-cm-Teleskop am Sierra Nevada Observatorium, dem 40-cm-Roboterteleskop am SPACEOBS Observatorium und dem 80-cm-Joan-Oró-Teleskop am Montsec Astronomical Observatory (OAdM) durchgeführt.

[4] Die Geschichte hinter dieser Entdeckung wird im ESOBlog dieser Woche näher erläutert.

[5] Der Spektrograf CARMENES wurde maßgeblich vom MPIA mit entwickelt.

Quelle: ESO