Extrasolarer Mond

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Eine künstlerische Impression eines hypothetischen erdähnlichen Mondes, der einen Saturn-ähnlichen Gasriesen umkreist

Ein extrasolarer Mond, kurz Exomond, ist ein natürlicher Satellit, der einen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems umkreist.

Während bisher bereits über 1000 Exoplaneten nachgewiesen wurden, konnte bisher nur ein möglicher Kandidat für einen Exomond gefunden werden[1]. Der Blick in das Sonnensystem, wo z. B. die Gasplaneten Jupiter und Saturn (aber auch die Erde) massive Monde haben, lässt vermuten, dass solche oder gar noch schwerere Monde außerhalb des Sonnensystems existieren. Seit dem Start des Weltraum-Teleskops Kepler ist deren Detektion möglich geworden,[2] wenn auch noch nicht mit Sicherheit gelungen.

Nachweis und Charakterisierung[Bearbeiten]

Im Jahre 1999 schlugen die damals in Frankreich forschenden Astronomen Paola Sartoretti und Jean Schneider vor, Exomonde über die Variation des Transitzeitpunktes (englisch: "Transit Timing Variation", TTV) zu finden.[3] Dieser Effekt resultiert aus der Schlingerbewegung des Planeten, die durch die Schwerkraft des Mondes auf seinem Orbit um den Planeten hervorgerufen wird. Genauer gesagt, umrunden beide — Planet und Mond — unter Vernachlässigung anderer Körper in guter Näherung den gemeinsamen Massenschwerpunkt. Und so variiert die von der Erde aus beobachtete Auslenkung des Planeten vor dem Stern für die Annahme streng periodischer Transits. Dieser TTV-Effekt, so ließ sich mathematisch zeigen, lässt Schlussfolgerungen auf das Verhältnis der Masse des Mondes zu seinem Abstand zum Planeten zu. Die Lösung der Gleichung ist dabei in den beiden Parametern entartet, das heißt, diese können nicht unabhängig voneinander bestimmt werden.

In einer Serie von Veröffentlichungen konnte der britische Astrophysiker David Kipping nachweisen, dass ein weiterer Effekt des Planetentransits die Aufhebung der Entartung ermöglicht. Dieser zweite Effekt besteht in der Variation der Transitdauer (englisch: "Transit Duration Variation", TDV). Zum einen wird sie durch die variierende tangentiale Geschwindigkeitskomponente des Planeten hervorgerufen: während jedes Transits überquert der Planet auf Grund seines Umlaufs um den Massenschwerpunkt im Planet-Mond-System die Sternscheibe mit einer anderen Geschwindigkeit.[4] Zum anderen kann eine Neigung des Planet-Mond-Orbits gegen den zirkumstellaren Orbit des Planet-Mond-Systems dafür sorgen, dass der Planet die Sternscheibe in variierender "Höhe" durchquert.[5] Der Weg über die Scheibe ist also verschieden lang für verschiedene Transits und so dauert jener abwechselnd bald kürzer, bald länger.

Das Kepler-Teleskop soll aus Kombination von TTV und TDV Monde bis zu einer unteren Grenze von einem Fünftel der Masse der Erde detektieren können.[2]

Eine weitere Detektionsmethode liegt in der Beobachtung des Mond-Transits selbst.[6][7] Nur solch eine Messung erlaubt die Bestimmung des Mondradius (zumindest sein Verhältnis zum Sternradius), der für die Bestätigung und Charakterisierung des Mondes von erheblicher Bedeutung ist.

Das astronomische Forschungsprojekt "The Hunt for Exomoons with Kepler" (HEK) am Center for Astrophysics in Harvard sucht nach Signaturen von Exomonden in den Kepler-Daten.[8][9][10][11] Gemäß einem Vorschlag von Mary Anne Peters und Edwin Turner könnten Exomonde starker Gezeitenheizung unterliegen und so mit zukünftiger Technologie direkt beobachtbar sein.[12]

Künstlerische Darstellung der beiden Möglichkeiten: Planet und Mond (links) oder Planet und brauner Zwerg (rechts)

Im April 2014 meldete die NASA einen möglichen Kandidaten für einen ersten Exomond mittels Gravitationslinseneffekt, um den vagabundierenden Exoplaneten MOA-2011-BLG-262 gefunden zu haben. Sofern es sich dabei um einen Exomond handelt, dürfte er etwas kleiner als die Erde sein (somit größer als alle bekannten Monde) und den Planeten in einem Abstand von etwa 0,13 AE (etwa 20 Mio. Kilometer) umkreisen. Die andere mögliche Erklärung wäre, dass es sich um ein System aus einem braunen Zwerg und einem jupiterähnlichen Gasplaneten handelt.[1]

Vermutete Charakteristika[Bearbeiten]

Da eine Entdeckung bisher noch aussteht, kann man über die Eigenschaften von Exomonden nur spekulieren. Aber man vermutet eine große Vielfalt unterschiedlicher Mondtypen außerhalb unseres Sonnensystems, da auch die uns bekannten Monde sehr verschieden sind. So wäre es z. B. möglich, dass um extrasolare Gasriesen Monde kreisen, die eine erdähnliche Größe besitzen.

Bewohnbarkeit[Bearbeiten]

Ein erdgroßer Exomond könnte erdähnliche Charakteristika besitzen, wenn er sich zusammen mit seinem Mutterplaneten in der sogenannten habitablen Zone des Heimatsterns befindet. Eine erste Veröffentlichung zum möglichen Vorkommen von flüssigem Wasser auf Monden, welches Astronomen und Biologen als Voraussetzung für die Entstehung von Leben betrachten, boten im Jahre 1987 Ray T. Reynolds und zwei Kollegen.[13] Sie schlugen dabei Gezeitenheizung innerhalb von Monden als essenzielle Energiequelle vor und berechneten am Beispiel des Jupiter-Mondes Europa, wie Gezeiten den Eispanzer kalter Monde im Außenbereich eines Sternsystems zumindest unterirdisch schmelzen können. Erst 10 Jahre später, dann waren bereits die ersten Gasplaneten außerhalb des Sonnensystems gefunden, wendeten sich US-amerikanische Wissenschaftler der Bewohnbarkeit von Monden wieder zu.[13] In ihrem Artikel fanden Darren Williams und seine Co-Autoren, dass ein Mond mindestens 10 % bis 20 % der Erdmasse schwer sein muss, auf dass er über Milliarden von Jahren Plattentektonik und ein starkes Magnetfeld zur Deflektion energiereicher Strahlung aufrechterhalten und eine massive Atmosphäre an sich binden kann. Es sei angemerkt, dass die beiden schwersten Monde des Sonnensystems, Ganymed und Titan, jeweils nur ungefähr 2,5 % bzw. 2,3 % Erdmassen schwer sind.

In einer Serie von Veröffentlichungen schlugen der deutsche Astrophysiker René Heller und sein US-amerikanischer Kollege Rory Barnes im Jahre 2012 ein mathematisches Modell vor, welches die Möglichkeit von flüssigem Oberflächenwasser auf Monden anhand mehrerer physikalischer Einflüsse bewertet.[14][15][16][17] Dabei werden zunächst die stellare Einstrahlung, das reflektierte Licht des Planeten, die thermische Strahlung des Planeten, sowie die Gezeitenheizung im Mond addiert. Die Summe Fsglob des globalen Energieflusses auf dem Mond wird dann mit dem kritischen Energiefluss FRG verglichen, der den Mond einem katastrophalen Treibhauseffekt (englisch: "Runaway Greenhouse") unterwerfen würde (im Zuge dessen würde der Mond in seiner oberen Atmosphäre den Wasserstoff ins Weltall verlieren und seine Ozeane somit austrocknen). Ist die Summe aller durchschnittlichen, globalen Energieflüsse Fsglob kleiner als der kritische Energiefluss FRG und befindet sich der Mond samt Mutterplanet in der stellaren habitablen Zone, dann gilt der Mond als bewohnbar.

Sollte der Nachweis eines extrasolaren Mondes um einen Planeten in der stellaren habitablen Zone gelingen, könnte das James-Webb-Teleskop, dessen Start für 2018 vorgesehen ist, das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit von durch Leben hervorgerufenen spektralen Signaturen in der Mondatmosphäre erbringen.[18]

Satelliten Brauner Zwerge[Bearbeiten]

Etwaige Monde um Braune Zwerge verwischen die Grenzen zwischen Mond und Planet. Nach ihrer Definition bewegen sich Monde um Planeten, und Planeten bewegen sich um Sterne. Aber ein Brauner Zwerg ist weder ein Planet noch ein Stern.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Extrasolare Monde – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b Faraway Moon or Faint Star? Possible Exomoon Found. NASA / JPL, 10. April 2014, abgerufen am 9. Oktober 2014 (englisch).
  2. a b David M. Kipping, Stephen J. Fossey, Giammarco Campanella: On the detectability of habitable exomoons with Kepler-class photometry. In: Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 109, 2009, S. 1278–1284. Bibcode: 2009MNRAS.400..398K. doi:10.1111/j.1365-2966.2009.15472.x.
  3. Paola Sartoretti, Jean Schneider: On the detection of satellites of extrasolar planets with the method of transits. In: Astronomy and Astrophysics Supplement. 134, 1999, S. 553-560. Bibcode: 1999A&AS..134..553S. doi:10.1051/aas:1999148.
  4. David M. Kipping: Transit timing effects due to an exomoon. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 392, 2009, S. 181-189. Bibcode: 2009MNRAS.392..181K. doi:10.1111/j.1365-2966.2008.13999.x.
  5. David M. Kipping: Transit timing effects due to an exomoon - II. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 396, 2009, S. 1797-1804. Bibcode: 2009MNRAS.396.1797K. doi:10.1111/j.1365-2966.2009.14869.x.
  6. Luis Ricardo M. Tusnski: Transit Model of Planets with Moon and Ring Systems. In: The Astrophysical Journal. 743, 2011, S. id. 97, 9 pp.. Bibcode: 2011ApJ...743...97T. doi:10.1088/0004-637X/743/1/97.
  7. András Pál: Light-curve modelling for mutual transits. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 420, 2012, S. 1630-1635. Bibcode: 2012MNRAS.420.1630P. doi:10.1111/j.1365-2966.2011.20151.x.
  8. David M. Kipping, Gáspár Á. Bakos, Lars A. Buchhave, David Nesvorný, Allan R. Schmitt: The Hunt for Exomoons with Kepler (HEK). I. Description of a New Observational project. In: The Astrophysical Journal. 750, 2012, S. id. 115, 19 pp.. Bibcode: 2012ApJ...750..115K. doi:10.1088/0004-637X/750/2/115.
  9. David M. Kipping, Joel Hartman, Lars A. Buchhave, Allan R. Schmitt, Gáspár Á. Bakos, David Nesvorný: The Hunt for Exomoons with Kepler (HEK): II. Analysis of Seven Viable Satellite-Hosting Planet Candidates. In: The Astrophysical Journal. (submitted), 2013. Bibcode: 2013arXiv1301.1853K.
  10. The Hunt for Exomoons with Kepler (HEK) cfa.harvard.edu
  11. New Exomoon Project Will Use Kepler Data centauri-dreams.org; Forget Exoplanets - The Hunt for Exomoons Is Heating Up, time.com, abgerufen am 14. Januar 2012
  12. Mary Anne Peters, Edwin L. Turner: On the Direct Imaging of Tidally Heated Exomoons. In: The Astrophysical Journal. (submitted), 2013. Bibcode: 2012arXiv1209.4418P.
  13. a b Ray T. Reynolds, Christopher P. McKay, James F. Kasting: Europa, tidally heated oceans, and habitable zones around giant planets. In: Advances in Space Research. 7, 1987, S. 125-132. Bibcode: 1987AdSpR…7..125R. doi:10.1016/0273-1177(87)90364-4.
  14. René Heller: Exomoon habitability constrained by energy flux and orbital stability. In: Astronomy & Astrophysics. 545, 2012, S. id. L8, 4 pp.. Bibcode: 2012A&A…545L…8H. doi:10.1051/0004-6361/201220003.
  15. René Heller, Rory Barnes: Exomoon habitability constrained by illumination and tidal heating. In: Mary Ann Liebert, Inc. (Hrsg.): Astrobiology. 13, Nr. 1, Januar 2013, S. 18-46. arXiv:1209.5323. Bibcode: 2012arXiv1209.5323H. doi:10.1089/ast.2012.0859.
  16. René Heller, Rory Barnes: Constraints on the habitability of extrasolar moons. , Proceedings to the XXVIII IAU General Assembly (2012, Beijing)2012. arXiv:1209.5323. Bibcode: 2012arXiv1210.5172H.
  17. René Heller, Rory Barnes: Hot Moons and Cool Stars. , Proceedings to the ROPACS meeting "Hot Planets and Cool Stars" (Nov. 2012, Garching)2012. arXiv:1301.0235. Bibcode: 2013arXiv1301.0235H.
  18. Lisa Kaltenegger: Characterizing Habitable Exomoons. In: The Astrophysical Journal Letters. 712, Nr. 2, April 2010, S. L125-L130. arXiv:0912.3484. Bibcode: 2010ApJ…712L.125K. doi:10.1088/2041-8205/712/2/L125.