Wer entdeckte wirklich den ersten Exoplaneten?

Das Jahr 1995 war, wie 1492, der Beginn eines Zeitalters der Entdeckungen. Statt mit Seeschiffen Kontinente zu entdecken, nutzen die neuen Entdecker Teleskope, um Planeten zu entdecken, die um ferne Sterne kreisen. Tausende dieser extrasolaren Planeten, ein Begriff, der üblicherweise mit „Exoplaneten“ abgekürzt wird, wurden gefunden, darunter einige potenziell erdähnliche Welten sowie bizarre Objekte, die keine Ähnlichkeit mit einem der Planeten unseres Sonnensystems haben.

Zwei dieser Exoplaneten-Entdecker, Michel Mayor und Didier Queloz, erhielten kürzlich die Hälfte des Nobelpreises für Physik für ihre Entdeckung im Jahr 1995. Meine Kollegen und ich sind uns einig in unserer Bewunderung für ihre Pionierarbeit und in unserem Stolz, das fortzusetzen, was sie begonnen haben.

Aber es gibt etwas Besonderes an der Nobelpreis-Zitierung. Es heißt: „für die Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist.“ Müsste es nicht heißen: der erste Exoplanet? Immerhin haben hunderte von Astronomen einen Exoplaneten entdeckt. Ich habe geholfen, ein paar zu finden. Sogar Gymnasiasten und Amateurastronomen haben sie entdeckt. Hat das Nobelkomitee einen Tippfehler gemacht?

Nein, das haben sie nicht, und daran hängt eine Geschichte.

Genauso wie es problematisch ist, zu entscheiden, wer Amerika entdeckt hat (Christoph Kolumbus? John Cabot? Leif Erikson? Amerigo Vespucci, dessen Name sich durchgesetzt hat? Diejenigen, die vor Zehntausenden von Jahren zu Fuß aus Sibirien kamen?), ist es schwierig zu sagen, wer den ersten Exoplaneten entdeckt hat. Es gibt mindestens fünf glaubwürdige Anwärter, und es macht Spaß und ist faszinierend, die Vorzüge der einzelnen Fälle zu betrachten. Tun wir also so, als wären wir im Nobelpreiskomitee, das den Gewinner auswählen soll.

Zunächst müssen wir jedoch die Denkweise der Astronomen vor der Entdeckung von Exoplaneten verstehen. Sie erwarteten, dass alle Planetensysteme unserem eigenen Sonnensystem ähneln würden. Nicht in jedem Detail, aber zumindest in einigen wichtigen Aspekten: Die Bahnen der Planeten sind nahezu kreisförmig und liegen in der gleichen Ebene, wobei die Riesenplaneten (wie Jupiter) außen liegen und die Gesteinsplaneten (wie die Erde) viel näher am Stern.

Im Laufe der Jahrhunderte entwickelten die Astronomen eine Theorie für die Planetenentstehung, die erklärte, warum diese Muster universell sein sollten, als unvermeidliche Folgen der physikalischen Prozesse, die in dem wirbelnden Materialwirbel, der einen neugeborenen Stern umgibt, stattfinden. Ich bin versucht, die Theorie zu beschreiben, aber ich erspare Ihnen die Details, denn die frühen Entdeckungen von Exoplaneten haben gezeigt, dass diese Theorie falsch ist, oder zumindest unvollständig. Alles, was Sie wissen müssen, ist, dass diese Erwartung tief verwurzelt war.

Sie müssen auch wissen, wie man Exoplaneten nachweist. Das erste, was man versuchen könnte, ist, ein Teleskop auf einen Stern zu richten und nach schwächeren Objekten zu suchen, die ihn umkreisen. Das erweist sich als nahezu unmöglich: Planeten sind viel zu schwach. Stattdessen wurden die ersten Exoplaneten durch die Beobachtung der Bewegung des Sterns entdeckt.

Kindern wird beigebracht, dass sich die Planeten um die Sonne drehen, aber das ist eine kleine Notlüge. In Wirklichkeit drehen sich die Sonne und die Planeten um das Massenzentrum des gesamten Sonnensystems. Wenn Sie ein maßstabsgetreues Modell des Sonnensystems bauen würden, das auf einer flachen Scheibe liegt, ist der Massenschwerpunkt dort, wo Sie die Scheibe auf Ihrer Fingerspitze balancieren könnten. Die Sonne ist die massereichste Komponente des Sonnensystems, daher befindet sie sich immer in der Nähe des Massenschwerpunkts, aber sie wackelt ein wenig herum. Die Planeten um einen fernen Stern sollten dazu führen, dass sich auch der Stern bewegt. Und das gibt den Astronomen eine Möglichkeit, sie zu finden, indem sie den Dopplereffekt nutzen.

Wenn ein sich bewegendes Objekt Wellen aussendet – wie Schall oder Lichtwellen – wird die Länge zwischen den Wellen in Vorwärtsrichtung gestaucht und in Rückwärtsrichtung gedehnt. Beim Schall bestimmt die Wellenlänge die Tonhöhe, was erklärt, warum die Sirene eines Krankenwagens in der Tonhöhe abfällt, wenn er vorbeifährt. Beim Licht bestimmt die Wellenlänge die Farbe. Wenn sich ein Stern auf uns zubewegt, erscheint sein Licht immer ein wenig blauer, und wenn der Stern sich zurückzieht, wird es röter. Wir sprechen hier von Veränderungen im Bereich von einigen Teilen pro Million oder weniger, weshalb man spezielle astronomische Geräte benötigt, um sie zu erkennen.

Wir sind fast soweit, die Kandidaten für den Entdecker des ersten Exoplaneten zu überprüfen, aber da ist noch eine Sache. Wir sollten im Voraus entscheiden, was wir mit „entdecken“ meinen. Das wird sich als wichtig erweisen.

Eine Wörterbuch-Definition ist „zum ersten Mal Wissen erlangen“. Okay, aber was ist Wissen? Dazu schlagen wir in einem Philosophie-Lehrbuch nach, im Kapitel über Erkenntnistheorie, wo wir lernen, dass Wissen gerechtfertigter wahrer Glaube ist. Unsere Aufgabe ist es also, die erste Person zu identifizieren, die einen gerechtfertigten wahren Glauben an die Existenz eines Exoplaneten hat.

Da es wahr sein muss, brauchen wir nicht über all die Fehlstarts und falschen Behauptungen zu diskutieren, die den Ruf der Planetenjäger jahrzehntelang getrübt haben. Indem wir verlangen, dass es gerechtfertigt ist, lassen wir die glücklichen Rater beiseite. 1953 schrieb Philip K. Dick eine Geschichte, die auf einem Planeten um den Stern Proxima Centauri spielt, und 2017 entdeckten Astronomen einen solchen Planeten, aber Philip K. Dick entdeckte den Planeten nicht.

Unser Briefing ist nun vollständig, und wir können die Anwärter im Ring willkommen heißen, in chronologischer Reihenfolge.

Im Jahr 1979 begannen Gordon Walker und ein paar Kollegen an der Universität von British Columbia mit der Suche nach Planeten. Er war weltweit die herausragende Autorität für präzise Doppler-Beobachtungen. Er konzipierte seine Untersuchung unter der Prämisse, dass alle Planetensysteme dem Sonnensystem ähneln. Die stärksten Signale – und angesichts der begrenzten Möglichkeiten seiner Ausrüstung die einzigen Signale, die er überhaupt entdecken konnte – würden von Riesenplaneten kommen, ähnlich wie Jupiter, der 12 Jahre für einen Umlauf um die Sonne braucht. Das bedeutete, dass Walker sich auf ein sehr langfristiges Projekt festlegen musste.

Er musste auch hoffen, dass Jupiter-ähnliche Planeten häufig vorkommen, da er nur etwa 20 Sterne beobachten konnte. Um seine Suche auszuweiten, bräuchte er mehr Unterstützung durch das Telescope Time Allocation Committee, die aber nicht gewährt wurde. Walker schrieb später: „Es ist heutzutage ziemlich schwer, sich die Atmosphäre der Skepsis und Gleichgültigkeit in den 1980er Jahren gegenüber der vorgeschlagenen Suche nach Planeten vorzustellen. Einige Leute waren der Meinung, dass ein solches Unterfangen nicht einmal ein legitimer Teil der Astronomie sei.“

Trotz dieses Hindernisses entdeckte er 1988 das Signal eines Planeten von Jupitermasse, der alle 2,7 Jahre um einen Stern namens Gamma Cephei kreist. Hat Walker also den Preis gewonnen? Hatte er einen wahren und berechtigten Glauben an die Existenz des Planeten?

Nun, es war wahr: Die Existenz des Planeten wurde 2003 definitiv bestätigt. Das Problem ist, ob der Glaube 1988 gerechtfertigt war. Walkers Signal hob sich deutlich vom Rauschen ab, aber er machte sich trotzdem Sorgen, dass er getäuscht wurde. Das Dopplersignal könnte durch etwas anderes als einen Planeten verursacht worden sein. Vielleicht kam das 2,7-Jahres-Muster eher von der Rotation des Sterns als von der Bewegung. Die Sonne rotiert einmal im Monat, aber Walker dachte, dass Gamma Cephei ein Riesenstern sei, der viel langsamer rotieren könnte.

In einer Arbeit aus dem Jahr 1992, die auf dieser Sorge beruhte, nahm Walker Abstand von der Behauptung, dass das Signal von Gamma Cephei einen Planeten darstelle. Aber wie sich herausstellte, war der Stern falsch klassifiziert worden. Es handelt sich nicht um einen Riesenstern. Walker machte sich Sorgen, dass er sich selbst etwas vormacht. Seine Vorsicht war natürlich, angesichts der an Feindseligkeit grenzenden Atmosphäre der Skepsis. Vielleicht ist es am besten zu sagen, dass Walker den Planeten zwar entdeckt, aber nicht ganz gefunden hat.

Das bringt uns zu unserem nächsten Anwärter, David Latham vom Smithsonian Astrophysical Observatory. Im Jahr 1989 berichteten er und seine Mitarbeiter über ein faszinierendes Dopplersignal um einen Stern namens HD 114762. Das Signal war kristallklar. Seine Charakteristiken waren kompatibel mit einer Orbitalbewegung und unvereinbar mit einer Rotation.

Dies scheint eine bahnbrechende Entdeckung zu sein. Tatsächlich ist HD 114762 in der umfassenden Datenbank der NASA über Exoplaneten enthalten, die mit 1989 als Jahr der Entdeckung geführt wird. Das ist sechs Jahre vor Mayor und Queloz.

Warum also schüttelt Latham nicht die Hand des schwedischen Königs? Weil Lathams Leistung zu der Zeit nicht als Planetenentdeckung wahrgenommen wurde. Es gab einige merkwürdige Dinge über den vermeintlichen Planeten.

Zunächst einmal ist die Umlaufbahn nicht annähernd kreisförmig. Sie ist eine Ellipse, bei der eine Dimension doppelt so lang ist wie die andere – ganz im Gegensatz zu den Planeten des Sonnensystems. Zweitens ist der Planet 11-mal massereicher als Jupiter, was abwegig erscheint. Tatsächlich könnte der Planet sogar noch massereicher sein, denn die Doppler-Methode sagt uns nur die minimal mögliche Masse des Planeten. Das liegt daran, dass sich der Stern in allen drei Dimensionen bewegt, der Doppler-Effekt aber nur in einer dieser Dimensionen auftritt: der Bewegung auf den Beobachter zu oder von ihm weg.

Schließlich schien die Umlaufbahn viel zu klein für einen Riesenplaneten. Sie ist weniger als ein Zehntel so groß wie die Umlaufbahn des Jupiters. Nach der Theorie der Planetenentstehung sollten sich Riesenplaneten niemals so nahe am Stern bilden. Das ist die Domäne von kleinen, felsigen Planeten.

Latham dachte, es könnte ein Planet sein, aber einige seiner Teammitglieder (und die meisten anderen Astronomen) hielten das für weit hergeholt. In ihrem Papier von 1989 wird die Möglichkeit eines Planeten nur als Spekulation erwähnt. Wahrscheinlicher, so schrieben sie, sei ein Brauner Zwerg, eine Art gescheiterter Stern, der nie Kernfusionsreaktionen gezündet hat.

Heute jedoch gilt keine der „Besonderheiten“ von HD 114762 als sonderbar. Wir wissen, dass ein paar Prozent der sonnenähnlichen Sterne einen Riesenplaneten mit einer kleinen, stark elliptischen Umlaufbahn haben. Und einige von ihnen haben Massen bis zum 10- oder sogar 20-fachen des Jupiters.

Latham kann mit Fug und Recht behaupten, der erste Entdecker eines Exoplaneten zu sein, aber das gilt nur aus unserer rückblickenden Sicht. Die Behauptung war richtig, und durch die Daten reichlich gerechtfertigt. Aber damals wurde sie nicht geglaubt, wegen des Vorurteils, dass Planeten so aussehen und sich so verhalten sollten wie die Planeten in unserem Sonnensystem.

Was dann kam, war eine verblüffende Überraschung. 1992 verkündeten Aleksander Wolszczan und Dale Frail die Entdeckung von zwei Planeten, die von der Masse her mit der Erde vergleichbar sind, mit einer Variation der Doppler-Methode. Die Beweise waren hieb- und stichfest. Das Verblüffende war, dass der Stern kein gewöhnlicher Stern wie die Sonne ist, sondern ein Pulsar.

Pulsare gehören zu den exotischsten Dingen im Universum. Sie sind Überbleibsel von Supernova-Explosionen, die stattfinden, wenn einem massereichen Stern der Kernbrennstoff ausgeht und er instabil wird. Ein Pulsar packt die Masse der gesamten Sonne in einen Ball von nur 20 Kilometern Durchmesser, was ihn so dicht macht, dass er bei einer falschen Bewegung kollabieren und zu einem Schwarzen Loch werden würde. Außerdem kann er sich hunderte Male pro Sekunde drehen und dabei Radiowellen, Röntgenstrahlen und tödliche Strahlungsdosen ausspucken.

Wie soll man diesen Kandidaten für den ersten Exoplaneten bewerten? Die Behauptung war wahr und berechtigt. Sie wurde geglaubt und wird immer noch von der astronomischen Gemeinschaft geglaubt. Der einzige Knackpunkt war, ob die Objekte, die den Pulsar umkreisen, als Planeten gelten sollten.

Bis zu diesem Zeitpunkt war die Arbeitsdefinition der Astronomen für einen Planeten ein Objekt mit einer Masse, die zu klein war, um ein Stern oder ein Brauner Zwerg zu sein. Die Pulsar-Entdeckung zwang zu einer genaueren Betrachtung. Vielleicht sollte das Wort Planet für Objekte reserviert werden, die einen normalen Stern umkreisen, nicht einen Zombie-Stern. (Jetzt verstehen Sie, warum sich der Nobelpreis 2019 auf „einen Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern“ bezieht.)

Einige Astronomen bestanden darauf, dass sich Planeten innerhalb des wirbelnden Materialwirbels um einen jungen Stern bilden müssen. Das ist aber nicht der Ort, an dem die Begleiter des Pulsars entstanden sind. Vermutlich bildeten sie sich nach der Supernova-Explosion, weil sie die katastrophale Energieexplosion nicht überlebt haben können. Vielleicht fiel ein Teil des explodierenden Materials wieder nach unten und begann, den Neutronenstern zu umkreisen, und die Planeten bildeten sich aus diesem Material. Ein ernsthaftes Problem bei jeder auf der Entstehung basierenden Definition ist jedoch, dass es auch für die Entstehung „normaler“ Planeten keine allgemeingültige Theorie gibt.

Im Endeffekt haben sich die Astronomen damit abgefunden, die Objekte von Wolszczan und Frail als Planeten zu bezeichnen. Aber die Pulsarplaneten wurden als Freaks behandelt, und die Suche nach weiteren von ihnen hat sich als unfruchtbar und unergiebig erwiesen. Nur von einem weiteren Pulsar ist bekannt, dass er einen Planeten hat, und selbst in diesem Fall ist der Beweis nicht so sicher.

Das bringt uns zu 1995. Michel Mayor und Didier Queloz, zwei Astronomen vom Genfer Observatorium in der Schweiz, waren dabei, die Doppler-Technik zu verbessern. Zuvor hatte Mayor Latham geholfen, seinen Stern zu beobachten. Dann beschlossen er und sein Student Queloz, selbst auf Planetenjagd zu gehen. Sie hatten ein Beinahe-Monopol auf ein Teleskop in Frankreich, das es ihnen erlaubte, mehr Sterne zu beobachten als Walker oder Latham.

Einer ihrer Sterne, ein sonnenähnlicher Stern namens 51 Pegasi, bewegte sich mit einer Amplitude von 50 Metern pro Sekunde und einer Periode von nur 4,2 Tagen hin und her. Das Signal deutete auf die Existenz eines Planeten mit einer Mindestmasse zwischen der von Saturn und Jupiter hin. Das war eine Masse, die die Astronomen zufrieden stellte. Weniger angenehm war der Bahnabstand: nur ein Zwanzigstel des Abstands von der Erde zur Sonne.

Das, so beharrten viele Theoretiker, war kein Platz für einen Riesenplaneten. So nah am Stern wird das Objekt, das 51 Peg umkreist, auf Tausende von Grad aufgeheizt. Mayor und Queloz hatten etwas entdeckt, das später als „heißer Jupiter“ bekannt werden sollte, eine Art von Planet, der in der vorherrschenden Theorie der Planetenentstehung als unmöglich galt.

Die astronomische Gemeinschaft war skeptisch, nicht nur wegen des Widerspruchs zu ihren Erwartungen, sondern auch angesichts der wechselvollen Geschichte des Fachgebiets. Einige waren besorgt, dass die Doppler-Verschiebungen von stellaren Pulsationen und nicht von einer Orbitalbewegung herrührten; vielleicht wölbte sich die Oberfläche von 51 Peg aus und sank dann in einem regelmäßigen Rhythmus wieder zurück.

In den nächsten Jahren wurden jedoch alle diese Bedenken ausgeräumt. Das hier war das einzig Wahre. Die Theorie der Planetenentstehung musste aktualisiert werden.

Mayor und Queloz waren also die ersten, die einen begründeten, wahren Glauben an die Existenz eines Objekts hatten, bei dem sich alle einig sind, dass es ein Exoplanet um einen sonnenähnlichen Stern ist. Genauso wichtig ist, dass die Entdeckung von 51 Peg den gleichen Effekt hatte wie die erste Sichtung eines unerforschten und scheinbar grenzenlosen Kontinents. Das exponentielle Wachstum bei der Entdeckung von Planeten und der Anzahl der Wissenschaftler, die auf diesem Gebiet arbeiten, begann 1995. Deshalb war das Nobelkomitee der Meinung, dass Mayor und Queloz das wissenschaftliche Rampenlicht (und eine halbe Million Dollar) verdient haben.

Als Pedant möchte ich allerdings anmerken, dass die Behauptung, 51 Peg sei ein Planet, nicht zu 100 Prozent gerechtfertigt war. Denken Sie daran, dass die Doppler-Methode nur die minimale Masse des kreisenden Körpers aufzeigt – die wahre Masse könnte größer sein. Viel größer, wenn seine Umlaufbahn zufällig senkrecht zu unserer Sichtlinie verläuft. Obwohl dies einen sehr unwahrscheinlichen Zufall voraussetzen würde, war es seinerzeit denkbar, dass der Begleiter von 51 Peg tatsächlich ein Brauner Zwerg ist. Tatsächlich handelt es sich aber um einen Planeten. Die wahre Masse wurde schließlich mit einer anderen Technik gemessen, die auf der Detektion des eigenen Lichts des Planeten beruht, aber erst 2015.

Der erste Exoplanet, für den die Masse zweifelsfrei gemessen wurde, heißt HD 209458b. In diesem Fall trägt ihn die Bahn des Planeten zufällig direkt vor den Stern, was eine Miniatur-Finsternis verursacht. Das beseitigt die übliche Unsicherheit bezüglich der Orientierung der Umlaufbahn. Die Verfinsterungen wurden 1999 von zwei konkurrierenden Gruppen entdeckt, eine unter der Leitung von David Charbonneau und die andere von Gregory Henry. Aber obwohl dies technisch gesehen eine definitivere Entdeckung war, hatte die astronomische Gemeinschaft zu diesem Zeitpunkt aufgehört, die Entdeckungen von 51 Peg und anderen, ähnlichen Objekten anzuzweifeln.

Abgesehen von der Pedanterie ist es auch erwähnenswert, dass trotz aller Fehlstarts die Entdeckung von Exoplaneten eine der seltenen und wunderbaren Gelegenheiten war, in denen sich ein Projekt als einfacher als erwartet herausstellte. Normalerweise gilt Murphys Gesetz: Alles ist schwieriger und dauert länger, als man erwartet. Was die Sache in diesem Fall einfacher machte, war die Existenz von heißen Jupitern, ein Geschenk der Natur, das niemand erwartet hatte. Heiße Jupiter erzeugen die größten Dopplersignale, und sie können mit Daten von nur wenigen Wochen entdeckt und bestätigt werden; man muss nicht Jahrzehnte warten, wie Walker dachte.

Eigentlich stimmt es nicht ganz, dass niemand mit heißen Jupitern gerechnet hat. 1956 schrieb Otto Struve einen kurzen Aufsatz, in dem er darauf hinwies, dass die Präzision der Dopplermessungen inzwischen gut genug war, um massereiche Planeten aufzuspüren, aber nur, wenn sie in winzigen Bahnen existierten. Abgesehen von der Frage, wie sich ein solcher Planet gebildet haben könnte, stellte er fest, dass es kein Gesetz der Physik gibt, das die Existenz solcher Planeten verbietet. Seine Arbeit hätte ein ganz neues Gebiet der Astronomie entfachen können, aber in Wirklichkeit blieb sie im Dunkeln. Der Planet um 51 Peg hätte wahrscheinlich schon in den frühen 1960er Jahren entdeckt werden können, oder sicherlich von Walker in den 1980er Jahren, wenn er in der Lage gewesen wäre, mehr Sterne zu beobachten.

Ich versuche, mich an diese Geschichte zu erinnern, wenn ich an übermäßigem Pessimismus leide. Selbst wenn ein Feld durch frühere Behauptungen, die sich als falsch herausstellten, getrübt wurde, selbst wenn andere talentierte Leute es bereits versucht haben, selbst wenn Theoretiker Ihnen sagen, dass Ihre Idee weit hergeholt ist – es kann immer noch ein wirklich spektakuläres Phänomen geben, das darauf wartet, entdeckt zu werden.