Wegen ihrer grossen Entfernung können Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems selbst mit dem besten Teleskop optisch nicht von ihren Muttersternen unterschieden werden. Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Svetlana Berdyugina, Professorin am Institut für Astronomie der ETH Zürich, ist es nun erstmals gelungen, das sichtbare gestreute Licht eines extrasolaren Planeten zu beobachten. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden am 20.12.2007 in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift ‚Astrophysical Journal Letters’ publiziert.

Bislang war die Bestimmung sogenannter Exoplaneten meist nur auf indirektem Weg möglich: Zum Beispiel untersucht man das Licht eines Sterns, erkennt, dass sich dieser minim bewegt und zieht daraus die Schlussfolgerung, dass in der Nähe ein Planet mit einer entsprechenden Anziehungskraft vorhanden sein muss (sogenannte Doppler-Spektroskopie-Methode). Das Forschungsteam nutzte nun aber die Polarisation von reflektiertem Licht aus, um dem Exoplaneten direkt auf die Spur zu kommen.

Heisser Jupiter

Der untersuchte Exoplanet befindet sich im Sternbild Fuchs und ist etwa 60 Lichtjahre von der Erde entfernt. Er umkreist den Zwergstern HD189733 so, dass er - von der Erde aus gesehen - bei jedem Umlauf vor dem Stern durchzieht. Astronomen sprechen bei diesem Ereignis von einem Transit. Der Exoplanet, der aufgrund seiner Nähe zum Mutterstern den Namen HD189733b trägt, wurde vor zwei Jahren entdeckt. Man wusste bereits aus anderen Beobachtungen, dass es sich bei HD189733b um einen "heissen Jupiter" handelt, d.h. um einen Gasplaneten, der sich extrem nahe um den Mutterstern bewegt, wodurch sich seine Atmosphäre wegen der grossen Hitze ausdehnt. Anders als der Planet
Jupiter, welcher die Sonne in 12 Jahren einmal umkreist, umrundet der Planet HD189733b seinen Mutterstern in etwas mehr als zwei Tagen.

Polarisation als neue Methode

Das Forschungsteam bestehend aus Svetlana Berdyugina, Dominique Fluri (ETH Zürich), Andrei Berdyugin und Vilppu Piirola (Tuorla Observatorium, Universität von Turku, Finnland) benutzte das ferngesteuerte 60-Zentimeter-Teleskop auf La Palma (Spanien), das der Königlichen Schwedischen Akademie der Wissenschaften gehört und von finnischen Wissenschaftlern modernisiert wurde. Die Forschenden haben polarimetrische Messungen des Sterns und seines Planeten durchgeführt. Reflektiertes Licht ist in der Regel polarisiertes Licht. Ähnlich wie eine Polaroid-Sonnenbrille grelles, reflektiertes Sonnenlicht herausfiltert, hat das Team von Wissenschaftlern durch die Messung von polarisiertem Licht das schwache, vom Exoplaneten reflektierte Licht aus dem viel helleren Sternlicht extrahiert. Dadurch konnten die Wissenschaftler nicht nur die Grösse des Exoplaneten und dessen Atmosphäre bestimmen, sondern zudem direkt seine Umlaufbahn beschreiben.

Zwei Halbmondphasen

Die Stärke der Polarisation hängt vom jeweiligen Streuungswinkel ab. Bei einem Winkel von 90 Grad ist das Licht am stärksten polarisiert. Die Forschenden haben entdeckt, dass die Polarisation ein Maximum erreicht, wenn der Planet von der Erde aus gesehen etwa halb - analog zu Halbmondphasen - beleuchtet wird, was zweimal pro Orbit vorkommt.

Aus der gemessenen Polarisation ergibt sich, dass die Atmosphäre um rund 30 Prozent grösser ist als der undurchsichtige Bestandteil des Planeten, der während den Transits beobachtete wurde. Wahrscheinlich besteht sie aus weniger als einem halben Mikrometer grossen Teilchen, wie zum Beispiel aus Atomen, Molekülen, vielleicht teilweise auch aus Wassermolekülen oder kleinen Staubteilchen. "Die polarimetrische Entdeckung reflektierten Lichts von Exoplaneten eröffnet neue, weitreichende Möglichkeiten zur Erforschung der physikalischen Eigenschaften ihrer Atmosphären", sagt Svetlana Berdyugina. "Ausserdem können wir mehr über die Radien und Massen und dadurch die Dichten der Planeten lernen, auch im Fall von anderen Exoplaneten ohne Transits."