Der Nobelpreis für Physik 2019 wurde für „Beiträge zu unserem Verständnis der Entwicklung des Universums und der Stellung der Erde im Kosmos“ verliehen. Die Hälfte des Preises ging an den Kosmologen Jim Peebles, die andere Hälfte erhielten Michel Mayor und mein Kollege Didier Queloz gemeinsam für die erste Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Als jemand, der ein Jahrzehnt mit der Erforschung von Exoplaneten verbracht hat, weiß ich, dass dieser Preis eine lang erwartete Anerkennung für eine der größten Revolutionen in der modernen Astronomie darstellt, eine, die unsere Wahrnehmung unseres Platzes im Universum radikal verändert hat.
Ein Exoplanet, oder extrasolarer Planet, ist ein Planet, der einen Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreist. Seit Tausenden von Jahren und in vielen Zivilisationen haben sich die Menschen gefragt, ob es Welten jenseits der Erde und des Sonnensystems gibt. Es ist beschämend zu wissen, dass diese Frage erst vor 24 Jahren beantwortet wurde.
Im Jahr 1995 entdeckten Mayor und Queloz einen riesigen Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern, 51 Pegasi, umkreist. Der Planet, bekannt als 51 Peg b, hatte eine ähnliche Masse wie Jupiter, war aber 100 Mal näher an seinem Wirtsstern, was ihm eine Temperatur von über 1.000℃ bescherte. Die Entdeckung war in vielerlei Hinsicht radikal, nicht zuletzt, weil er sich so sehr von den Planeten in unserem Sonnensystem unterschied und den Theorien über die Entstehung und Entwicklung von Planeten widersprach.
In unserem Sonnensystem sind Riesenplaneten wie Jupiter und Saturn fünf- bis zehnmal weiter von der Sonne entfernt als die Erde und haben Temperaturen unter -100℃. Man nimmt an, dass sich Jupiter und Saturn in einer gasförmigen Scheibe um die junge Sonne gebildet haben, in der sich Gas und Eis angesammelt haben, möglicherweise sogar weiter von der Sonne entfernt als heute. Die Entdeckung eines „heißen Jupiters“, der sich so nahe an seinem Stern befindet, lieferte den ersten Hinweis darauf, dass sich Planeten auf äußerst unterschiedliche Weise außerhalb unseres Sonnensystems bilden können.
Die Entdeckung von 51 Peg b war das Ergebnis sowohl technischer Fähigkeiten als auch eines glücklichen Zufalls. Erstens hatten sie Zugang zu einem der damals weltweit genauesten Instrumente zur Messung der Wellenlängen des Lichts anderer Sterne, dem ELODIE-Spektrographen am Observatorium von Haute-Provence in Südfrankreich. Die Zeit, die benötigt wird, um die Beweise für die Existenz eines Exoplaneten zu sammeln, hängt jedoch von seiner Masse, seiner Entfernung vom Stern und der Dauer seiner Umlaufbahn ab.
Aufgrund der bestehenden Theorien und des Modells unseres Sonnensystems erwarteten die Wissenschaftler keine großen Planeten mit kurzen Umlaufbahnen, die schnell gefunden werden könnten. Daher suchte zu dieser Zeit niemand aktiv nach ihnen. Mayor und Queloz gingen davon aus, dass es sich um ein langfristiges Programm handeln würde, das Jahre dauern könnte, bis sie einen Planeten um einen anderen Stern finden würden. Doch schon ein Jahr nach Beginn der Beobachtungen entdeckten sie die ersten Anzeichen dafür, dass die bestehenden Planetentheorien unvollständig waren.
Ihre Entdeckung gelang mit Hilfe einer Technik, die als Radialgeschwindigkeitsmethode bekannt ist. Wenn ein Planet einen Stern umkreist, bewegt sich auch der Stern auf einer ähnlichen, aber viel kleineren Umlaufbahn um den Massenschwerpunkt des gesamten Systems. Mit anderen Worten, die Anziehungskraft des Planeten auf den Stern bewirkt, dass dieser um einen Punkt zwischen ihnen schwankt.
Aufgrund dieser Bewegung verändert sich das Licht des Sterns, wenn es von der Erde aus gesehen wird, was als Doppler-Verschiebung bezeichnet wird. Wenn sich der Stern auf einen Beobachter zubewegt, hat sein Licht kleinere Wellenlängen als bei einem stationären Stern, wodurch das Licht blauer erscheint. Wenn sich der Stern vom Beobachter wegbewegt, verschiebt sich das Licht zu längeren, röteren Wellenlängen.
Wenn man solche Wellenlängenverschiebungen in regelmäßigen Abständen feststellt, deutet das darauf hin, dass ein anderes Objekt, in diesem Fall ein Planet, den Stern umkreist. Misst man sie im Laufe der Zeit, kann man die Geschwindigkeit berechnen, mit der sich der Stern auf einen zu oder von einem weg bewegt (die Radialgeschwindigkeit), und wie lange die Umlaufbahn des Planeten dauert. Die maximale Radialgeschwindigkeit ist ein Maß für die Masse des Planeten, denn größere Planeten, die sich näher am Stern befinden, bewirken, dass sich der Stern schneller bewegt.
Die Bewegung der Sonne durch Jupiter hat eine maximale Radialgeschwindigkeit von 13 m/s, und die Umlaufzeit des Planeten beträgt 12 Jahre. Das bedeutet, dass die genaue Bestimmung der Masse und der vollständigen Umlaufbahn eines jupiterähnlichen Planeten um einen sonnenähnlichen Stern 12 Jahre dauern würde, wenn man einen lichtmessenden Spektrographen verwendet, der auf wenige m/s genau ist. Einen erdähnlichen Planeten um eine Sonne zu finden, wäre sogar noch schwieriger, da die maximale Radialgeschwindigkeit nur 9 cm/s betragen würde.
In den frühen 1990er Jahren waren die besten Spektrographen auf der Erde in der Lage, eine Genauigkeit von über 10 m/s zu erreichen, was bedeutete, dass sie nicht in der Lage waren, Planeten zu entdecken, die so groß, langsam und weit von einem Stern entfernt waren wie Jupiter. 51 Peg b war jedoch ein Planet von Jupitergröße, der sich 100 Mal näher an seinem Stern befand, mit einer Umlaufzeit von nur 4,2 Tagen statt 12 Jahren. Dies bedeutete, dass seine maximale Radialgeschwindigkeit mit fast 60 m/s deutlich höher war und damit weit im Bereich des Spektrographen von Mayor und Queloz lag.
Nachdem sie die ersten Anzeichen eines Planeten mit einer so kurzen Umlaufbahn gefunden hatten, führten die beiden Wissenschaftler weitere Beobachtungen und detaillierte Analysen durch, die die Eigenschaften dessen bestätigten, was wir heute als den heißen Jupiter 51 Peg b kennen.
Mayors und Queloz‘ bahnbrechende Entdeckung von 51 Peg b löste in den folgenden zwei Jahrzehnten eine Lawine astronomischer Beobachtungen aus, die die Allgegenwart und Vielfalt der uns heute bekannten Exoplaneten offenbarte. Inzwischen sind über 4.000 Exoplaneten bekannt, die die gesamte Bandbreite der Planeteneigenschaften abdecken, von heißen Jupitern bis hin zu erdgroßen Planeten in den bewohnbaren Zonen ihrer Wirtssterne. Das bedeutet, dass es Planeten gibt, die wahrscheinlich die richtigen Temperaturen haben, damit auf ihrer Oberfläche flüssiges Wasser existiert und sich das Leben, wie wir es kennen, entwickeln kann.