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Der Buchtipp zum Thema:
 
Proxima Centauri
 
4. September 2016
 
 
Am 24. August gaben die Europäische Südsternwarte ESO und das Pale Red Dot-Projekt die Entdeckung eines Planeten in der Bewohnbaren Zone des Sterns Proxima Centauri bekannt - das fruchtbare Ergebnis jahrelanger Bemühungen [1]. Schon zwei Wochen zuvor hatte der SPIEGEL eine inoffizielle Meldung über eine „Erde 2.0“ bei diesem Stern verbreitet [2]. Viele Medien blieben bei der ursprünglichen Darstellung, dass der Planet „erdähnlich“ und „potenziell bewohnbar“ sei. Aber ist das wirklich der Fall? Ohne Zweifel ist Proxima b, wie der Planet genannt wurde, in vielerlei Hinsicht eine der bedeutsamsten Entdeckungen von Exoplaneten überhaupt. Aber „erdähnlich“ im Sinne von „wie bei uns“? Wir werden sehen. Schauen wir zunächst auf die bekannten Fakten.

 
Der Stern
 
 
Proxima Centauri ist der der Sonne am nächsten gelegene Fixstern. Es ist ein kleiner, lichtschwacher Roter Zwerg, nur 4,24 Lichtjahre von der Sonne entfernt. Proxima wiederum am nächsten gelegen sind die Doppelsterne Alpha Centauri A und B, von denen er zur Zeit etwa 0,2 Lichtjahre entfernt ist. Die Astronomen sind sich noch nicht einig darüber, ob Alpha und Proxima Centauri über die Schwerkraft miteinander zu einem sehr weiten Dreiergestirn verbunden sind. Sollte dies der Fall sein, so würde Proxima Centauri das zentrale Sternenpaar einmal in 500.000 Jahren umrunden.

 
Proxima ist ein Roter Zwergstern. Er vereint nur 12,3% der Masse unserer Sonne in sich und gibt 0,14 - 0,15 Promille ihrer Energiemenge ab. Im sichtbaren Licht ist Proxima sogar noch dunkler - die höchste Energieabgabe liegt im Bereich des infraroten Lichtes bei 1,2 Mikrometern. Dies liegt an der für einen Stern geringen Oberflächentemperatur von 2.700°C. Der Stern ist so klein und leuchtschwach, dass er trotz der geringen Entfernung von der Erde aus nicht mit bloßem Auge zu sehen ist. Entsprechend wurde Proxima erst 1915 entdeckt. Man benötigt ein Teleskop mit mindestens 8 Zentimetern Spiegeldurchmesser, um diesen kleinen Nachbarm sichtbar zu machen. Mit dem Very Large Telescope in Chile konnte der Durchmesser Proximas mit ca. 200.000 Kilometer bestimmt werden.

 
Die geringe Größe und Masse bedingen einige grundsätzliche Unterschiede zu unserer Sonne. Bei der Sonne wird die im Kern durch Fusion des Wasserstoffs freigesetzte Energie überwiegend durch Abstrahlung durch die äußeren Schichten weitergeleitet und schließlich in den Weltraum abgegeben. Nur im Kern selbst finden Umwälzungen des Materials, Konvektion genannt, statt. Ganz anders hingegen bei Proxima: Der Stern ist vollständig konvektiv, das Material wird im gesamten Sternvolumen umgewälzt. Mit diesen Materialströmungen sind starke Magnetfelder verbunden, die sich an der Sternenoberfläche entladen und Sonnenflecken sowie Sonnenausbrüche verursachen können. Solche Eruptionen können bis zu 88% der Oberfläche Proximas erfassen und teilweise so groß werden wie der Stern selbst. Die Helligkeit Proximas wird dadurch binnen Minuten mehr als verdoppelt. Auch Röntgenstrahlung wird bei diesen Ausbrüchen abgegeben.

 
Auf den neu entdeckten Planeten und dessen "Erdähnlichkeit" hat dies ganz dramatische Auswirkungen. Aber kommen wir zunächst zu den grundlegenden Fakten, die das Astronomenteam veröffentlicht hat [1].

 
Der Planet
 
 
Entdeckt wurde Proxima b mit der Methode der Radialgeschwindigkeitsmessung. Dabei misst man die Verschiebungen des Lichtspektrums, die aus den Bewegungen des Sterns resultieren. Die Bewegungen wiederum sind die Folge der Anziehung des Sterns durch seinen Planeten - je größer die Masse des Planeten und je näher er dem Stern gelegen ist, desto größer ist der Einfluss seiner Schwerkraft. Bei kleinen und "erdähnlichen" Planeten sind die gemessenen Radialgeschwindigkeiten des Sterns zum Teil geringer als die Vorgänge auf der Oberfläche des Sterns. Mit sehr komplizierten Auswertungsverfahren müssen diese Hintergrundbewegungen erkannt und aus den Messungen entfernt werden, um am Ende die auf den Planeteneinfluss zurückzuführenden Bewegungen des Sterns isolieren zu können. Das Team von Pale Red Dot schaffte dies mit einer beeindruckenden Empfindlichkeit von 5 km pro Stunde - das heißt, sie konnten noch Bewegungen Proximas messen, die der Schrittgeschwindigkeit eines Menschen entsprechen. Dies ist die eigentliche technische Sensation hinter der Entdeckung!

 
Von der Erde aus gesehen ist die gemessene radiale Geschwindigkeit am größten, wenn der Beobachter direkt auf die Kante der Umlaufbahn des Planeten blickt, sich der Planet auf seiner Umlaufbahn einmal direkt vor und einmal direkt hinter dem Stern befindet (siehe Abbildung 1). Ist die Umlaufbahn jedoch aus der Sicht der Erde geneigt, so wird die Radialgeschwindigkeit mit demselben Planeten niedriger ausfallen, weil nur noch ein Teil der Bewegung des Sterns in Richtung der Erde verläuft. Dieser Punkt ist wichtig zum Verständnis! Die Radialgeschwindigkeit ist am kleinsten, wenn die irdischen Beobachter direkt auf die Ebene der Umlaufbahn blicken.

 
Das bedeutet, dass man ohne weitere methodische Ansätze über die Radialgeschwindigkeit des Sterns zunächst nur die kleinstmögliche Masse des Planeten bestimmen kann, nämlich für den günstigsten Fall, dass man direkt auf die Kante der Umlaufbahn blickt. Für alle anderen Bahnneigungen muss die Masse des Planeten zwangsläufig größer sein.

 
Abbildung 1: Darstellung des Grundprinzips der Methode der Radialgeschwindigkeitsmessung. Gezeigt sind drei unterschiedliche Neigungen der Umlaufbahn für ein und denselben Planeten. Im Beispiel a) liegt die Umlaufbahn des Planeten genau in einer Linie mit der Blickrichtung des Beobachters. Der Planet - hier dargestellt an den beiden Extrempunkten seiner Umlaufbahn - zieht mit seiner eigenen Schwerkraft am Zentralstern und lässt diesen sich mit der Geschwindigkeitskomponente VStern leicht bewegen. Das Teleskop kann diese Geschwindigkeit als Va vollständig erfassen, weil sie als Annäherung und Entfernung direkt in Richtung des Beobachters erfolgt. Im Beispiel b) ist die Umlaufbahn des Planeten um 45° zur Blickrichtung des Beobachters geneigt. Die Bewegung des Sterns in der Ebene der Umlaufbahn seines Planeten ist mit VStern dieselbe wie im Beispiel a), jedoch erfolgt nur ein kleinerer Teil der Bewegungskomponente in Richtung des Beobachters (Vb). Im Beispiel c) ist die Umlaufbahn des Planeten um 90° zur Blickrichtung des Beobachters geneigt. Auch hier ist die Bewegung des Sterns in der Ebene der Umlaufbahn immer noch dieselbe (VStern), jedoch erfolgt aufgrund der Bahnneigung keine Geschwindigkeitskomponente mehr in Richtung des Beobachters.
Nur im Beispiel a) kann man aus den Bewegungsdaten alleine die Masse des Planeten korrekt bestimmen. Im Beispiel b) und c) würde man sie unterschätzen; bei b) wirkt der Planet leichter und bei c) würde man ihn mit diesem Verfahren gar nicht entdecken. Da man in den meisten Fällen die Neigung der Umlaufbahn zunächst nicht kennt, gibt dieses Verfahren nur die minimale Masse des Planeten für die Lage im Beispiel a) wieder.
 
Für Proxima b hat die Pale Red Dot-Gruppe nun eine untere Massengrenze von ca. 1,3 Erdmassen angegeben - wohlgemerkt für die günstigste Lage der Umlaufbahn. Das bedeutet, der Planet kann nicht leichter, aber sehr wohl deutlich massereicher sein.  Im Nature-Artikel wird zudem eine Wahrscheinlichkeit von 1,5% dafür angegeben, dass der Planet von der Erde aus gesehen vor Proxima vorbeiziehen wird, ein sogenanntes Transitereignis. Somit dürfte die Umlaufbahn wohl geneigt und der Planet tatsächlich schwerer sein. Es ist wichtig, dies im Hinterkopf zu behalten.

 
 
Aus früheren Untersuchungen [3] weiß man allerdings schon, dass im Bereich der Bewohnbaren Zone Proximas mit Planeten mit einer unteren Massengrenze von 2-3 Erdmassen eher nicht zu rechnen ist. Auch hier gilt wieder, dass andere Bahnneigungen diese Grenze nach oben verschieben würden. Damit lässt sich schon mal etwas anfangen. Wir können sagen, dass der Planet im günstigsten Fall 1,3 Erdmassen schwer ist, seine Masse aber bei einer geneigten Umlaufbahn auch mehrere Erdmassen betragen kann. Mit 1,3 Erdmassen würde seine Zusammensetzung den terrestrischen Planeten unseres Sonnensystems ähneln, was angesichts der Unterschiede zwischen Merkur, Venus, Erde und Mars eine sehr breite Palette von Möglichkeiten offen lässt. Im Falle einer größeren Masse wäre der Planet eine Supererde oder ein sehr leichter Gasplanet. Um diese Frage beantworten zu können, müssten wir den Durchmesser des Planeten kennen, um damit seine Dichte bestimmen zu können. Dies steht jedoch noch aus.

 
 
Die Veränderungen der Radialgeschwindigkeit lassen für den Planeten auf einen Umlauf in etwas mehr als 11 Tagen schließen. Dies entspricht einem Abstand zum Stern von 0,05 Astronomischen Einheiten - 1/20 der Entfernung der Erde von der Sonne oder etwas mehr als 7 Millionen Kilometern (siehe auch Abbildung 2). Die Bewohnbare Zone Proximas wird im Nature-Artikel als der Bereich von 0,042 – 0,082 Astronomischen Einheiten angegeben. Diese Werte sind abhängig vom benutzten Modell; aber auch eine Million Kilometer mehr oder weniger würde im Falle Proximas nicht so viel verändern. Der Planet befindet sich auf jeden Fall sicher innerhalb dieser Zone. Seine durchschnittliche Sonneneinstrahlung beträgt 65% des irdischen Wertes. Der Mars wird auch noch zur Bewohnbaren Zone gerechnet und erhält 43% der irdischen Sonneneinstrahlung. Ohne Berücksichtigung atmosphärischer Effekte wird für Proxima b im Nature-Artikel eine Gleichgewichtstemperatur von -39°C angegeben (Erde: - 15°C).

 
Abbildung 2: Vergleich der mittleren Sonnenabstände der Planeten Merkur und Proxima b. Nur die Abstände
sind hier maßstabsgetreu wiedergegeben. Der Durchmesser von Proxima b ist bisher nicht bekannt.
 
Auf jeden Fall befindet sich Proxima b innerhalb des Bereiches, in welchem die Gezeitenkräfte des Sterns die Eigendrehung des Planeten innerhalb von 4 Milliarden Jahren angehalten haben werden. Das bedeutet, dass immer dieselbe Seite dem Stern zugewandt sein wird. Es gibt eine Hemisphäre mit immerwährendem Tageslicht und eine Hemisphäre mit ewiger Nacht. Die Folgen für die möglichen Klimaverhältnisse auf der Oberfläche sind außerordentlich komplex und werden später noch einmal in einem weiteren Artikel gesondert behandelt werden.

 
 
Atmosphäre oder nicht?

 
Für die oben aufgeworfene Frage nach der „Erdähnlichkeit“ des Planeten wäre es interessant zu erfahren, ob Proxima b eine nennenswerte Atmosphäre besitzt oder nicht. Die Antwort lautet: Wir wissen es noch nicht. Für unser eigenes Sonnensystem nimmt man anhand von Isotopenuntersuchungen heute an, dass die terrestrischen Planeten ihren Vorrat an Gasen und Wasser zu einem erheblichen Teil aus Kometenmaterial erhalten haben, nachdem sich die Planeten bereits weitgehend ausgebildet hatten. Für Wasser ist auch ein Zustrom in Form von Kristallwasser in Meteoriten möglich. Eine Ansammlung flüchtiger Verbindungen während der Phase der Planetenbildung ist auch möglich, jedoch sollte ein großer Teil dieses ursprünglichen Materials beim Übergang der Sonne von der Phase des Protosterns in die Hauptreihe verloren gegangen sein, da dies mit einer sehr heftigen Sonnenaktivität verbunden war. Die Erde ist nochmal ein Sonderfall, weil der Mond erst relativ spät aus einer Kollision mit einem anderen Protoplaneten entstanden ist. Auch bei diesem Ereignis sollte die Erde Gase verloren haben. Modelle zur Planetenenstehung schließen jedoch nicht aus, dass Planeten innerhalb der späteren Bewohnbaren Zone während ihrer Bildung auch Gase und Wasser ansammeln können.

 
Für Proxima Centauri sind gegenüber der Sonne zunächst zwei Eigenschaften bedeutsam: Der Status des Sterns als Rotem Zwerg und als veränderlicher „Flacker“stern. Rote Zwerge zeigen vor ihrem Eintritt in die Hauptreihe eine sehr stark verlängerte Phase hoher Aktivität von bis zu einer Milliarde Jahren.  Auch wenn der Planet Proxima b sich heute innerhalb der Bewohnbaren Zone befindet, so war er zuvor in einer deutlich heißeren Zone gelegen. Dies sollte seine Fähigkeit, während dieser wichtigen Phase Gase anzusammeln, sehr stark negativ beeinflussen. Diese verlängerte aktive Phase zu Beginn ihrer Entwicklung ist der wichtigste Grund, warum man Planeten von Roten Zwergen für überwiegend trockene und luftleere Wüsten hält. Das ist schon mal eine wichtige Einschränkung.

 
 
Jede aus dieser Phase doch noch verbliebene Atmosphäre hätte mit der zweiten erodierenden Kraft zu kämpfen: Den starken Sonnenausbrüchen und der veränderlichen Helligkeit Proximas. Wie wir oben schon gesehen haben, ist Proxima eines der klassischen Beispiele für einen „Flackerstern“ und die Helligkeitsschwankungen sind signifikant. Die von den Eruptionen freigesetzten Ströme geladener Partikel wirken auf die Gasmoleküle der oberen Atmosphäre und tragen sie ab. Die Erde wird durch ihr eigenes Magnetfeld vor diesem Effekt größtenteils geschützt. Proxima b bräuchte ein besonders starkes Magnetfeld, um seine Atmosphäre gegen die Kraft des Sonnenwindes zu behalten. Das ist nicht unmöglich. Modellrechnungen für die Planeten Roter Zwerge konnten zeigen, dass ein starkes Magnetfeld bestehen bleiben und die Atmosphäre schützen kann, solange der Eisenkern des Planeten in Bewegung bleibt. Dies ist auch bei gebundener Rotation noch möglich. Allerdings stellt dies eine sehr spezielle Voraussetzung dar, von der wir nicht wissen, ob sie gegeben ist.

 
 
Als letzter Faktor bleibt noch der Einstrom von Kometenmaterial. In unserem Sonnensystem wurde dies relevant, nachdem die Planeten bereits gebildet waren und Gasplaneten wie Jupiter die noch übrig gebliebenen Klein- und Kleinstkörper vor allem des äußeren Sonnensystems auf neue Umlaufbahnen lenkten, von denen sie die meisten zum Absturz auf einen Planeten brachten. Auch die Oort-Wolke ist ein Reservoir für Kometen. Die Oort-Wolke der Sonne wurde zwar nie direkt beobachtet, aber ihre Existenz kann anhand der Umlaufbahnen langperiodischer Kometen indirekt erschlossen werden. Ähnliche Wolken dürften auch bei anderen Sternen existieren, auch wenn hier ebenfalls der direkte Nachweis noch fehlt. Proxima Centauri könnte auf eine Oort-Wolke von Alpha Centauri A und B als störende Kraft einwirken und Kometen auf sich lenken. Diese würden dann gelegentlich auf die Planeten seiner Umgebung stürzen und Gase und Wasser mitbringen. So könnte der Planet Proxima b mithilfe von Kometenmaterial und einem starken Magnetfeld zusammen auch gegen den stark erodierenden Einfluss der Sonnenstürme noch eine Atmosphäre und eigenes Wasser behalten. Dies sind jedoch Fragen, die erst von späteren Missionen und vor allem mit deutlich leistungsstärkeren Teleskopen beantwortet werden können.

 
 
Proxima b ist der uns am nächsten gelegene extrasolare Planet und wird dies auch für die nächsten 30.000 Jahre bleiben. Erst dann wird der Stern Ross 248 der Sonne näher kommen als Proxima. Proxima b ist somit eine bedeutsame Entdeckung, die in den kommenden Jahren und Jahrzehnten noch viele Gelegenheiten zur wissenschaftlichen Untersuchung bieten wird.


Abbildung 3: Blick auf den Planeten Proxima b aus einer niedrigen Umlaufbahn (künstlerische Darstellung).
Die gewählte Ansicht als Wüstenplanet mit einer dünnen Atmosphäre entspricht einem auf Modellrechnungen
basierenden wahrscheinlichen Szenario. Mehr dazu im Artikel.



[2] Spiegel Online (12.8.2016): Wissenschaftliche Sensation: Mögliche zweite Erde in unserer Nachbarschaft entdeckt



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