Heute werden in der schwedischen Hauptstadt Stockholm die Nobelpreise 2019 verliehen – darunter der Nobelpreis für Physik. Über die Auszeichnung freuen sich in diesem Jahr Michel Mayor, Didier Queloz und James Peebles. Die Schweizer Mayor und Queloz wurden für die Entdeckung eines Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern geehrt, der Kanadier Peebles für seine theoretischen Entdeckungen in der physikalischen Kosmologie. Dr. Gerhard Berth, Wissenschaftler und Dozent für Astronomie im Department Physik der Universität Paderborn, ordnet ihre Forschung im Interview ein.
Herr Berth, was ist ein Exoplanet und wie viele dieser Planeten wurden bislang entdeckt?
Berth: Im Allgemeinen versteht man unter einem Planeten ein Objekt, das durch seine eigene Masse eine rundliche Gestalt annimmt und sich auf einer freien Umlaufbahn um einen Stern befindet. In unserem Sonnensystem ist dieses Zentralgestirn die Sonne, die von acht Planeten umkreist wird. Außerhalb unseres Sonnensystems werden Planeten, die ihren Stern umkreisen, „Exoplaneten“ genannt und daher auch als „extrasolare Planeten“ bezeichnet. Bei diesen planetaren Himmelskörpern kann es sich sowohl um Gesteins- als auch um Gasplaneten handeln. Seit der ersten Entdeckung eines Exoplaneten im Jahr 1995 durch die Schweizer Physiker Michel Mayor und Didier Queloz sind mittlerweile mehrere tausend solcher extrasolaren Planeten in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, bekannt geworden – größtenteils sind das Gasplaneten. Insgesamt wurden circa 2.000 große terrestrische Exoplaneten, die sogenannten „Supererden“, entdeckt und etwa 150 terrestrische Exoplaneten, die kleiner als die Erde sind. Bedenkt man, dass alleine unsere Galaxie aus circa 200 Milliarden Sternen besteht und das beobachtbare Universum mehrere Milliarden ähnlich großer Galaxien umfasst, ergibt sich eine enorme Anzahl möglicher Planetensysteme. Beim Nachweis von Exoplaneten außerhalb unserer Heimatgalaxie stoßen wir aktuell an die Grenzen unserer technischen Möglichkeiten – wobei eine Kombination aus der Nachweismethode mithilfe des sogenannten „relativistischen Mikrolinseneffekts“ und bewährten Nachweismethoden vielversprechend scheint.
Wie gelang es Mayor und Queloz, erstmals einen Exoplaneten nachzuweisen?
Berth: Der Nachweis von extrasolaren Planeten stellt große Herausforderungen an das jeweilige Messverfahren, da Exoplaneten in Bezug auf die Beobachtungsentfernung relativ nah ihren alles überstrahlenden Stern umlaufen. Auf Basis fortschreitender Technik gelang es Mayor und Queloz erstmals einen Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern nachzuweisen, indem sie die sogenannte „Radialgeschwindigkeitsmethode“ verwendeten. Bei dieser indirekten Nachweismethode wird die gegenseitige gravitative Beeinflussung, also die Bewegung des Sterns und des Exoplaneten um einen gemeinsamen Schwerpunkt, betrachtet. So lässt sich in der periodischen örtlichen Schwankung des Sterns unter Ausnutzen des sogenannten „Dopplereffekts“ das erfasste Sternenlicht analysieren. Es ergeben sich dann Veränderungen der Wellenlänge des Sternenlichts in Bezug auf das Beobachtungssystem, die durch einen hochauflösenden Spektrographen, ein optisches Instrument, erfasst werden. Daraus lässt sich wiederum direkt die Radialgeschwindigkeit der sich verändernden Sternenposition ermitteln. Mit dieser Methode entdeckten Mayor und Queloz 1995 im Sternbild „Pegasus“ den etwa 40 Lichtjahre entfernten Exoplaneten „51 Pegasi b“, einen Gasplaneten, der den sonnenähnlichen Stern „51 Pegasi“ umläuft.
Beim Nachweis extrasolarer Planeten spielt neben der erwähnten Radialgeschwindigkeitsmethode auch die sogenannte „Transitmethode“ eine wesentliche Rolle. Beim Transit verdeckt in der Beobachtungsebene der vorüberziehende Exoplanet einen kleinen Teil des Sterns, den er umkreist – was sich im Herabsetzen der erfassbaren Helligkeit äußert und sich durch das immer wiederkehrende Umlaufen des Sterns durch den Exoplaneten als periodische Schwankung im Sternenlicht äußert. In wenigen Fällen kann ein Exoplanet außerdem durch direkte Beobachtung (Imaging) oder durch das astrometrische Verfahren (Schwankungen senkrecht zur Beobachtungsebene) nachgewiesen werden. Die meisten Exoplaneten konnten bislang mithilfe der Transitmethode und der Radialgeschwindigkeitsmethode nachgewiesen werden.
Warum ist die Entdeckung der Wissenschaftler für die Physik und die Gesellschaft von Bedeutung?
Berth: Grundsätzlich befassen sich alle drei Preisträger mit existenziellen Fragen der Menschheit: Wo liegt unser Ursprung und wo ist unser Platz im Universum? Wir sind dem Wechselspiel zwischen Wissenschaft, Philosophie und Religion ausgesetzt. Das allgemeine Interesse an der modernen Astronomie und Kosmologie sowie deren gesellschaftliche Akzeptanz bilden die Basis für eine enorme wissenschaftliche Entwicklung: Die Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten durch Mayor und Queloz verdeutlichte, dass weitere Sonnensysteme existieren könnten, die möglicherweise Planeten ähnlich unserer Erde beherbergen. Damit geht etwa die Frage einher, ob wir alleine im Universum sind. Seit der Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten wurde die Suche nach weiteren Exoplaneten forciert, einhergehend mit immer genaueren Analyseverfahren und leistungsfähigerer digitaler Auswertetechnik.
Die theoretischen Arbeiten zur Kosmologie von James Peebles wiederum bilden die Grundlage für ein tieferes Verständnis der Strukturentwicklung im Kosmos und zeigen sehr zielgerichtet neue wissenschaftliche Ansätze auf. Peebles legte somit den Grundstein für nahezu alle modernen theoretischen und beobachtbaren Untersuchungen der Kosmologie und verwandelte diese in eine eigenständige Wissenschaftsdisziplin. Gerade diese ursprüngliche Faszination astronomisch-kosmologischer Aspekte, die vom zunächst „Unbegreiflichen“ ausgeht, vermischt sich mit fortschreitenden Erkenntnissen auf den Gebieten der modernen Astronomie und Kosmologie.
Was sind die zentralen Aussagen der kosmologischen Theorie von James Peebles und wie brachten sie die physikalische Forschung voran?
Berth: Die umfassende theoretische Arbeit des US-amerikanisch-kanadischen Wissenschaftlers James Peebles beschäftigt sich mit zentralen Aspekten der Strukturgestaltung im Kosmos. Ausgehend vom Urknall wird die Entwicklung als Ganzes hin zum modernen Universum beschrieben. Peebles kosmologische Theorie setzt am Beobachtungshintergrund an und untermauert viele aktuell gültige Theorien, wirft aber darüber hinausgehend neue Fragen auf, wie beispielsweise die nach der Existenz dunkler Materie und dunkler Energie.
Aufgrund seiner vielschichtigen Beiträge zur modernen Kosmologie kann die Vergabe des Nobelpreises als Anerkennung des wissenschaftlichen Lebenswerks von James Peebles verstanden werden. So arbeitete er beispielsweise an der theoretischen Beschreibung der sogenannten „primordialen Nukleosynthese“. Diese setzte etwa eine Sekunde nach dem Urknall mit der Bildung von Atomkernen durch Kernfusion ein. Ein weiteres Ausdehnen des Universums führte dann zum Abkühlen des Urplasmas auf circa 3.000 Kelvin und ermöglichte so das Einfangen von Elektronen, was das Universum transparent für Licht machte. Mithilfe von Peebles Beschreibung lassen sich Aussagen über die leichtesten chemischen Elemente und Stoffe in der Frühphase des Alls treffen.
Daneben postulierte Peebles bereits in den 1960er Jahren die sogenannte „isotrope kosmische Hintergrundstrahlung“, interpretiert als Reststrahlung des heißen Urplasmas, deren Wellenlänge durch die Entwicklung der Raumzeit in den Mikrowellenbereich gedehnt wurde. Verknüpft mit seinen Beiträgen zur Bildung der Struktur des frühen Universums und der großen Strukturen im All, wirft Peebles auch die Fragestellung nach dunkler Energie beziehungsweise dunkler Materie auf. Dieser wird heute zugeschrieben, dass sie der Expansion des Universums entgegenwirkt und somit Galaxien und größere Strukturen zusammenhält.
