Exomonde
Extrasolarer Mond
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Ein extrasolarer Mond, kurz Exomond, ist ein natürlicher Satellit, der einen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems umkreist.
Während bisher bereits über 850 Exoplaneten nachgewiesen wurden, steht der Fund eines extrasolaren Mondes noch aus. 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,wenn auch noch nicht gelungen.
Nachweis und Charakterisierung
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. 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 en Massenschwerpunkt im Planet-Mond-System die Sternscheibe mit einer anderen Geschwindigkeit. 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. Der Weg über die Scheibe ist also verschieden lang für verschiedene Transits und so dauert jener abwechselnd mal kürzer, mal 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.
Eine weitere Detektionsmethode liegt in der Beobachtung des Mond-Transits selbst. 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.
Vermutete Charakteristika
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
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 vom 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. 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.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 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. 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.
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Ein extrasolarer Mond, kurz Exomond, ist ein natürlicher Satellit, der einen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems umkreist.
Während bisher bereits über 850 Exoplaneten nachgewiesen wurden, steht der Fund eines extrasolaren Mondes noch aus. 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,wenn auch noch nicht gelungen.
Nachweis und Charakterisierung
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. 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 en Massenschwerpunkt im Planet-Mond-System die Sternscheibe mit einer anderen Geschwindigkeit. 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. Der Weg über die Scheibe ist also verschieden lang für verschiedene Transits und so dauert jener abwechselnd mal kürzer, mal 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.
Eine weitere Detektionsmethode liegt in der Beobachtung des Mond-Transits selbst. 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. Auf Vorschlag von Mary Anne Peters und Edwin Turner könnten Exomonde starker Gezeitenheizung unterliegen und so mit zukünftiger Technologie direkt beobachtbar sein.
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
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 vom 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. 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.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 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. 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.
© Matthias Voß