Gaia findet jetzt Planeten – könnte es eine andere Erde finden?

Die ESA startete Gaia im Jahr 2013 mit einem übergeordneten Ziel: mehr als eine Milliarde Sterne in der Milchstraße zu kartieren. Seine umfangreiche Datensammlung wird häufig in veröffentlichten Forschungsarbeiten verwendet. Gaia ist eine ehrgeizige Mission, obwohl sie allein selten Schlagzeilen macht.

Aber das könnte sich ändern.

Gaia verlässt sich bei einem Großteil seiner Arbeit auf die Astrometrie, und Astrometrie ist die Messung der Position, Entfernung und Bewegung von Sternen. Es ist so empfindlich, dass es manchmal das leichte Wackeln erkennen kann, das ein Planet seinem viel massereicheren Stern verleiht. Gaia entdeckte 2021 seine ersten beiden Exoplaneten im Transit und wird voraussichtlich Tausende von Exoplaneten in Jupitergröße außerhalb unseres Sonnensystems finden.

Doch neue Forschungsergebnisse gehen noch einen Schritt weiter. Es zeigt, dass Gaia in der Lage sein sollte, erdähnliche Planeten in einer Entfernung von bis zu 30 Lichtjahren zu erkennen.

Das neue Papier trägt den Titel „Die Möglichkeit, unser Sonnensystem durch Astrometrie zu entdecken,“ und ist auf dem Preprint-Server verfügbar arXiv. Es hat einen einzigen Autor: Dong-Hong Wu vom Fachbereich Physik der Anhui Normal University, Wuhu, Anhui, China.

Astronomen finden die meisten Exoplaneten mit der Transitmethode. Eine Raumsonde wie TESS überwacht einen Ausschnitt des Himmels und betrachtet viele Sterne gleichzeitig. Wenn ein Planet zwischen uns und einem der Sterne vorbeizieht, spricht man von einem Transit. Dadurch entsteht ein Einbruch des Sternenlichts, den die empfindlichen Instrumente von TESS erkennen können. Wenn TESS mehrere vorhersehbare Einbrüche erkennt, deutet dies auf einen Planeten hin.

Aber das ist nicht die einzige Möglichkeit, sie zu erkennen. Astrometrie kann es auch, und das ist Gaias Art.

Die Astrometrie hat gegenüber anderen Methoden einen Vorteil. Gaia kann die Umlaufbahnparameter eines Exoplaneten genauer bestimmen. Das bedeutet nicht, dass die anderen Methoden nicht wertvoll sind. Das sind sie offensichtlich.

Aber wie der Autor des Artikels erklärt: „Weder die Transit- noch die Radialgeschwindigkeitsmethode liefern vollständige physikalische Parameter eines Planeten, und beide Methoden bevorzugen die Erkennung von Planeten in der Nähe des Zentralsterns. Im Gegenteil, die Astrometriemethode kann eine dreidimensionale Charakterisierung liefern.“ der Umlaufbahn eines Planeten und hat den Vorteil, Planeten zu erkennen, die weit vom Wirtsstern entfernt sind. Die Vorteile der Astrometrie liegen auf der Hand.

Wenn andere technologische Planetenzivilisationen existieren – und das ist ein großes „Wenn“ –, dann ist es nicht ungeheuerlich zu glauben, dass sie über eine Technologie verfügen, die der von Gaia ähnelt. Während Gaia beeindruckend ist, zeichnen sich Verbesserungen ab, die die Astrometrie noch präziser machen werden. Der Autor stellt in seinem Artikel eine Frage: Wenn ETIs (ExtraTerrestrial Intelligences) fortgeschrittene Astrometrie verwenden, die der von Gaia gleicht oder diese sogar übertrifft, „…welche von ihnen könnte die Planeten im Sonnensystem entdecken, sogar die Erde?“

Die astrometrische Präzision wird in Mikrobogensekunden berechnet und nimmt mit der Entfernung ab. Die ESA sagt, dass Gaia die Position eines Sterns innerhalb von 24 Mikrobogensekunden für Objekte messen kann, die 4.000 Mal schwächer sind als das bloße Auge. Das ist, als würde man die Dicke eines menschlichen Haares aus 1000 km Entfernung messen. Aber das ist für Wus Szenario nicht präzise genug. Seine Arbeit basiert auf einer noch fortgeschritteneren Astrometrie, wie wir sie wahrscheinlich in naher Zukunft haben werden.

„Wenn die Genauigkeit der Astrometrie gleich oder besser als 10 Mikrobogensekunden ist, haben alle 8.707 Sterne, die sich innerhalb von 30 Teilen unseres Sonnensystems befinden, das Potenzial, die vier Riesenplaneten innerhalb von 100 Jahren zu entdecken.“

Dies ist der Kern von Wus Artikel. Die 30-Parsec-Region (ca. 100 Lichtjahre) enthält fast 9.000 Sterne, und wenn ein ETI von einem dieser Sterne über eine ausreichend starke Astrometrie verfügt, könnte er Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun erkennen. Der einzige Nachteil besteht darin, dass sie unser Sonnensystem fast ein Jahrhundert lang beobachten müssten, um sicherzustellen, dass das Signal klar ist.

Laut dem Gaia-Katalog nahegelegener Sterne gibt es im Umkreis von 100 Lichtjahren um die Sonne 8.707 Sterne. Ein ETI auf einem von ihnen könnte die vier Riesen erkennen, solange ihre Genauigkeit innerhalb von zehn Mikrobogensekunden liegt. Die in Mikrobogensekunden ausgedrückte Präzision ist hier von entscheidender Bedeutung. Wenn der Beobachtungsfehler zu groß ist, hat dies enorme Auswirkungen und führt dazu, dass die Anzahl der Sterne, die nahe genug sind, drastisch schrumpft.

„Wenn der Beobachtungsfehler bis zu 100 Mikrobogensekunden beträgt, könnten nur 183 benachbarte Sterne alle vier Riesen entdecken, aber alle könnten Jupiter innerhalb von zehn Jahren entdecken“, erklärt Wu.

Die Entdeckung von Jupiter aus der Ferne könnte eine kritische Schwelle darstellen. Als Gaia 2016 seinen ersten Datensatz veröffentlichte, ging es in einem ESA-Papier über die Mission um die Exoplanetenwissenschaft und die Bedeutung der Entdeckung von Planeten mit Jupitermasse. Es basiert auf der Idee, dass Jupiter möglicherweise eine schützende Rolle gespielt hat, indem er Asteroiden und Kometen von den Planeten im inneren Sonnensystem abgelenkt hat.

„Dies sind logische Hauptziele für zukünftige Suchen nach Exoplaneten mit terrestrischer Masse in der bewohnbaren Zone in einer Umlaufbahn, die von einem weiter draußen gelegenen Riesenplaneten geschützt wird“, heißt es in dem Papier.

ETIs wissen möglicherweise Dinge über Sonnensysteme, die wir nicht wissen. Für sie könnte die Entdeckung von Gasriesen in den äußeren Regionen jenseits des Asteroidengürtels eines Sonnensystems ein starkes Signal dafür sein, dass sich Gesteinsplaneten näher am Stern befinden. Vielleicht wären sie neugierig und möchten einen genaueren Blick darauf werfen.

Wirklich interessant wird es, wenn es um unseren eigenen Planeten geht. Könnten ETIs die Erde mithilfe der Astrometrie entdecken?

Das hängt wiederum von der Genauigkeit im Mikrobogensekundenbereich ab. „Darüber hinaus legt unsere Vorhersage nahe, dass über 300 Sterne, die sich in einem Umkreis von zehn Parsec um unser Sonnensystem befinden, unsere Erde erkennen könnten, wenn sie eine Astrometriegenauigkeit von 0,3 Mikrobogensekunden erreichen“, schreibt Wu. Technologische Barrieren hindern uns vorerst daran, dies zu erreichen, aber wer weiß, wie hoch der technologische Stand eines ETI sein könnte?

Drehen Sie diese Idee nun um und berücksichtigen Sie dabei unsere eigenen technologischen Fortschritte.

Die ESA diskutiert bereits über einen Nachfolger von Gaia. Sie nennen es GaiaNIR und es würde Gaias Suche auf Objekte erweitern, die nur im Infrarot sichtbar sind. Wenn es gebaut und gestartet würde, würde es nicht nur IR-Ziele messen, sondern auch Gaia-Ziele erneut ansteuern, um die Genauigkeit der vorhandenen Daten von Gaia weiter zu erhöhen.

Einem Artikel zufolge würden die Verbesserungen von GaiaNIR „neue wissenschaftliche Fälle eröffnen, wie etwa langperiodische Exoplaneten“. Langperiodische Planeten sind mit der Transitmethode schwer zu erkennen, da man einen Stern lange beobachten muss. Zum Beispiel Neptun mit seiner 165-jährigen Umlaufbahn. Mit der verbesserten Technologie von GaiaNIR und noch weiteren Verbesserungen in der Zukunft könnten wir diejenigen sein, die erdgroße Planeten in einem Radius von 10 Parsec entdecken.

Die Astrometrie stellt eine Verbesserung gegenüber der Transitmethode dar, da die Transitmethode nur dann funktioniert, wenn die Dinge genau richtig ausgerichtet sind. Ein Exoplanet muss zwischen uns und seinem Stern vorbeiziehen, bevor wir den Lichteinbruch erkennen können. Aber Gaias Astrometrie unterliegt nicht derselben Einschränkung. Es kann einen Stern aus jedem Winkel beobachten, um vom Planeten verursachte Schwankungen zu erkennen.

Wie technologisch fortgeschritten müsste ein ETI sein, um die Erde mit Astrometrie zu entdecken? Gibt es ETIs innerhalb von 10 Parsec? 30 Parsec? 100 Parsec? Gibt es überhaupt ETIs?

Wer weiß? Aber wir sind hungrig nach erdgroßen Exoplaneten, und diese Forschung zeigt, wie Gaia unseren Appetit stillen kann. Wenn dies der Fall ist, könnte es mehr eigene Schlagzeilen generieren und einen Teil der Aufmerksamkeit auf sich ziehen, die andere Missionen regelmäßig auf sich ziehen.