Ein zweite Erde, die keine zweite Erde ist

Sternengeschichten Folge 700: TOI-700 d

TOI-700 d ist ein sehr kryptischer Titel, wenn man nicht weiß worum es geht, aber es ist ein passender Titel für Folge 700 der Sternengeschichten und es ist, wie so oft in der Astronomie, nicht so sehr von Bedeutung, wie etwas offiziell bezeichnet wird, sondern um was es sich dabei handelt und welche Geschichten man darüber erzählen kann. Und über TOI-700 d kann man jede Menge Geschichten erzählen. Es handelt sich um den Planeten eines anderen Sterns; einen Planeten, der bei seiner Entdeckung zuerst falsch eingeschätzt wurde, sich aber dann, nach der Korrektur dieses Fehlers als einer der faszinierensten fremden Welten heraugestellt hat, die wir kennen. TOI-700 d ist ein Planet, der der Erde sehr ähnlich sein könnte und der gleichzeitig vermutlich extrem anders ist.

Aber fangen wir bei dieser Geschichte trotzdem mit dem Namen an. TOI 700 ist der Name eines Sterns. Er hat noch viele andere Bezeichnungen, die aber nur noch sehr viel längere und komplexere Aneinanderreihungen von Zahlen und Buchstaben sind. TOI 700 war die längste Zeit einfach zu unauffällig, um einen "schönen" Namen zu bekommen. Er ist einer der paar hundert Milliarden Sterne in unserer Milchstraße und ohne sehr gute Teleskope nicht zu sehen. Es handelt sich um einen roten Zwergstern in einer Entfernung von etwa 100 Lichtjahren. Er befindet sich dort am Himmel, wo man auch das Sternbild "Schwertfisch" sehen kann, und weil das am Südhimmel ist, kann man TOI 700 von Mitteleuropa aus gar nicht sehen. Der südliche Himmel, inklusive dem Sternbild Schwertfisch war aber auch das Ziel der Beobachtungen von TESS. Das steht für "Transiting Exoplanet Survey Satellite" und ist der Name eines Weltraumteleskops der NASA, das im Jahr 2018 ins All geflogen ist. Es hat sich aber nicht nur auf den Südhimmel konzentriert, sondern sollte mindestens 85 Prozent des gesamten Himmels durchmustern. Natürlich kann ein einziges Teleskop nicht ALLE Sterne beobachten die es gibt, zumindest nicht in einem vernünftigen Zeitraum. TESS sollte sich auf sonnenähnliche Sterne und die weniger hellen Sterne wie die roten Zwerge konzentrieren und von denen auch nur die, die nicht weiter weg als ungefähr 300 Lichtjahre sind. Mit dabei sollten auf jeden Fall die 1000 uns am nächsten gelegenen roten Zwergsterne sein. Zwergsterne, wie TOI 700, der glücklicherweise schon ziemlich am Beginn der TESS-Mission beobachtet wurde.

Daher hat der Stern auch seinen Namen: TOI steht für "TESS Object of Interest", was frei übersetzt bedeutet: "Stern, den TESS beobachtet hat". Und TESS hat diesen Stern nicht nur beobachtet, sondern dort auch etwas gefunden. Oder genauer gesagt: Nicht TESS hat etwas gefunden, sondern die amerikanische Astronomin Emily Gilbert. Oder noch genauer gesagt: Nicht Emily Gilbert alleine, sondern ein großes, internationales Team von Astronominnen und Astronomen. Aber Gilbert war diejenige, die die Arbeit zur Publikation der Entdeckung des Planeten koordiniert hat. Aber noch sind wir bei unserer Geschichte nicht bei der Entdeckung angelangt.

Man darf sich die Entdeckung eines extrasolaren Planeten nicht allzu spektakulär vorstellen. Beziehungsweise ist das eigentlich falsch. Eine ganze Welt zu entdecken, die einen anderen Stern umkreist ist enorm spektakulär. Aber das, was man sich da vielleicht vorstellt, ist nicht das, was in der Realität passiert. Da sind keine Astronominnen und Astronomen, die in kalten Nächten durchs Teleskop schauen und irgendwann begeistert aufspringen, weil sie einen unbekannten Planeten gesehen haben. Das, was da in Wahrheit passiert, läuft zu Beginn meist noch ohne menschliches Zutun ab. In diesem Fall misst TESS die Helligkeit von Sternen und vor allem die Veränderung dieser Helligkeit. Denn wenn so ein Stern von einem Planeten umkreist wird und der sich von uns aus gesehen gerade direkt vor dem Stern vorüber bewegt, blockiert er ein ganz klein wenig von dessen Licht. Der Stern leuchtet kurz schwächer und dieses Absinken der Helligkeit wiederholt sich in regelmäßigen Abständen. Zumindest ist das im Idealfall so, in der Realität sind die Daten nie so exakt und sauber. Es ist nicht immer sofort klar, ob da wirklich eine periodische Helligkeitsänderung ist oder nicht. Hier ist dann der Punkt, wo Menschen ins Spiel kommen. Die Software die die Teleskopdaten auswertet, markiert alle potentiell interessanten Fälle und die müssen sich die Astronominnen und Astronomen dann ansehen.

Und beim Stern TOI 700 hat es sich um einen ganz besonders interessanten Fall gehandelt. 2019 hat TESS dort gleich drei mögliche Planeten gemeldet. Emily Gilbert, damals noch Doktorandin an der Universität Chicago und Mitarbeiterin am TESS Projekt der NASA, hat sich die Daten mit ihren Kolleginnen und Kollegen angesehen. Drei Planeten bei einem Stern sind durchaus spannend, aber auf den ersten Blick haben diese Planeten noch nicht so spektakulär gewirkt, wie sie tatsächlich waren. Bis eine Person aus dem Team, der Astronom Josh Schlieder, gemerkt hat, dass bei der Datenauswertung etwas nicht korrekt gelaufen ist. Die Software hat nicht mit den realen Daten des Sterns gearbeitet, sondern quasi defaultmäßig die Werte für die Sonne eingesetzt. Und das macht einen großen Unterschied! Denn man kann ja die Planeten nicht direkt sehen. Man kann auch nicht direkt herausfinden, wie groß sie sind, und so weiter. Das muss man alles aus dem Helligkeitsabfall des Sterns bestimmen. Um daraus auf die Größe des Planeten schließen zu können, muss man aber natürlich auch wissen wie groß der Stern selbst ist. Wenn ich weiß, wie groß der Stern ist und sehe, um wie viel sein Licht schwächer wird, kann man daraus berechnen, wie viel der Sternfoberfläche der Planet verdeckt und daraus folgt die Größe des Planeten. Die Sonne ist die Sonne. TOI 700 ist aber ein roter Zwerg, der nur circa 42 Prozent des Sonnenradius hat. Oder anders gesagt: Wenn man die Daten der Sonne verwendet anstatt die des roten Zwergs, dann überschätzt man die Größe der Planeten.

Der Fehler wurde aber rechtzeitig entdeckt und auf einmal sind die drei Planeten von TOI 700 enorm interessant geworden. Alle drei waren vergleichsweise klein. Einer war fast so groß wie die Erde, der zweite mit dem 2,6fachen Erdradius größer und der dritte dafür nur ein kleines bisschen größer als die Erde. Alle drei Planeten waren vergleichsweise nahe am Stern. Im Sonnensystem würden sie sich alle weit innerhalb der Merkurbahn befinden und dementsprechend schnell bewegen sie sich auch um ihren Stern herum. Der innerste braucht nur 10 Tage für einen Umlauf, der mittlere Planet schafft eine Runde in 16 Tagen und der äußerste braucht auch nur wenig mehr als 37 Tage. Aber wir dürfen nicht vergessen, dass TOI 700 nicht die Sonne ist, sondern ein roter Zwerg. Seine Leuchtkraft ist sehr, sehr viel geringer als die der Sonne. Wenn ein Planet ausreichend viel Energie abbekommen will, um zumindest theoretisch lebensfreundliche Bedingungen zu bieten, muss er auch sehr viel näher an einen roten Zwerg heranrücken. In diesem Fall hat sich gezeigt, dass der äußerste der drei genau in diesem Bereich liegt. Wir haben also einen Planeten, der nur wenig größer als die Erde ist und sich genau in der richtigen Entfernung von seinem Stern befindet, um lebensfreundliche Temperaturen zu haben.

Aber bevor man sich Gedanken über die genauen Bedingungen machen kann, die dort vielleicht herrschen, muss zuerst einmal sicher sein, dass die Planeten wirklich da sind. In dem Fall hat man Daten eines anderen Weltraumteleskops, dem Spitzer Space Telescope, genutzt, um die Beobachtungen zu bestätigen. Und am 14. August 2020 konnte man dann offiziell verkünden, dass TESS seinen ersten erdgroßen Planeten in der sogenannten habitablen Zone um einen Stern gefunden hat. Die Planeten wurden, wie es üblich ist, der Reihe nach mit Kleinbuchstaben, beginnend mit "b", benannt, nämlich TOI-700 b, TOI-700 c und TOI-700 d. Und 2021 hat man sogar noch einen weiteren gefunden, TOI-700 e. Und TOI-700 d ist genau der, der vielleicht lebensfreundliche Bedingungen bietet. Aber, und das ist sehr wichtig, erdgroß heißt noch nicht erdähnlich. Zuerst man neben der Größe auch noch die Masse des Planeten bestimmen. Die kriegt man nur aus dem Abfall der Sternhelligkeit nicht raus, dafür braucht es zusätzliche Beobachtungen, mit anderen Methoden. Aber auch die wurden gemacht und wir wissen, dass TOI-700 d ungefähr die 2,4fache Erdmasse hat. Daraus folgt sofort, dass die mittlere Dichte des Planeten enorm hoch sein muss. Sie liegt bei circa 8,5 Gramm pro Kubikzentimeter, was sehr viel mehr ist als die 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter mittlere Dichte der Erde. Und die mittlere Dichte der Erde ist schon sehr hoch; kein anderer Planet des Sonnensystems hat mehr als sie. Bei der Erde liegt das am großen Kern aus Eisen und Nickel, der sich im Inneren unseres Planeten befindet. TOI-700 d muss noch mehr Eisen und Nickel haben als die Erde und wo das her kommt, ist noch unklar.

Die Gleichgewichtstemperatur des Planeten liegt bei -4,3 Grad Celsius. Das klingt nicht sehr lebensfreundlich, aber das ist auch nur die Temperatur, die sich rein physikalisch einstellt, wenn man ein Objekt in einem bestimmten Abstand vor eine konkrete Energiequelle setzt. Strahlung geht hin, wird absorbiert und dann wieder abgestrahlt, so lange bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Rechnet man diese Temperatur für den Fall von Sonne und Erde aus, dann ergibt sich ein Wert von -18 Grad Celsius. Zum Glück liegt die Durchschnittstemperatur bei uns aber deutlich höher und der Grund dafür ist, dass etwas dieses Gleichgewicht stört oder besser gesagt, verschiebt. Dieses Etwas ist unsere Atmosphäre und die darin enthaltenen natürlichen Treibhausgase, die für eine zusätzliche Erwärmung sorgen. Wenn wir wissen wollen, wie warm es auf TOI-700 d tatsächlich ist, müssen wir wissen, ob und was für eine Atmosphäre dies...