Wissenschaftler haben die Existenz von vier kleinen, felsigen Planeten bestätigt, die den Barnards Stern umkreisen – das zweitnächste Sternsystem zur Erde. Die Entdeckung gelang mithilfe eines spezialisierten Instruments am leistungsstarken Gemini-Nord-Teleskop auf Hawaii. Nur sechs Lichtjahre von uns entfernt, sind alle diese Welten zu heiß, um Leben, wie wir es kennen, zu ermöglichen.
Ritvik Basant, Doktorand an der University of Chicago und Mitautor der Studie zu dieser neuen Entdeckung, erklärte, dass dieser Fund besonders spannend sei. Der Grund dafür sei, dass Barnards Stern im Grunde unser kosmischer Nachbar ist – und doch wissen wir nur sehr wenig über ihn.
Im Laufe der Jahre gab es zahlreiche Behauptungen über Exoplaneten, die den Barnard-Stern umkreisen, wobei diese bis in die 1960er Jahre zurückreichen. Der Barnard-Stern ist ein roter Zwerg, auch als M-Zwerg bekannt, und zeichnet sich durch die schnellste Eigenbewegung aus, die bisher bei einem Stern am Nachthimmel beobachtet wurde.
Eine künstlerische Darstellung der Oberfläche eines der Planeten, die den Barnard-Stern umkreisen. Die anderen drei Planeten sind am Himmel zu sehen. (Bildnachweis: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld)
Erst kürzlich, im Jahr 2024, behaupteten Astronomen, die das ESPRESSO-Spektrograf am Very Large Telescope in Chile nutzten, den Nachweis eines Planeten und Hinweise auf drei weitere erbracht zu haben. Nun hat ein Team unter der Leitung von Jacob Bean und Basant an der University of Chicago die Existenz aller vier Planeten zweifelsfrei bestätigt.
„Die Nähe von Barnards Stern ermöglichte es uns, ihn selbst bei schlechtem Wetter zu beobachten, da seine Helligkeit auch unter nicht optimalen Bedingungen gut sichtbar war. Dadurch konnten wir mehr Daten sammeln, was schließlich zur Entdeckung dieser Planeten mit sehr geringer Masse führte,“ erklärte Basant.
Ein zentrales Instrument bei den Beobachtungen des Teams war der MAROON-X-Spektrometer, ein Gastinstrument am Gemini North. MAROON-X misst die „radiale Geschwindigkeit“ – das leichte Hin- und Herschwanken von Barnards Stern, während er sich um den gemeinsamen Massenschwerpunkt mit den vier ihn umkreisenden Planeten bewegt. Diese Planeten sind alle deutlich masseärmer als die Erde. Tatsächlich gehören sie zu den masseärmsten Exoplaneten, die je entdeckt wurden.
Der innerste Planet des Systems ist Planet d (die Planeten sind nach der Reihenfolge ihrer Entdeckung benannt, nicht nach ihrer Entfernung zum Stern). Er hat eine Masse von nur 26 % der Erde und umkreist Barnards Stern alle 2,34 Tage in einer Entfernung von 1,7 Millionen Meilen (2,8 Millionen Kilometer/0,0188 Astronomische Einheiten). Als nächstes folgt Planet b: der Planet, der erstmals in den ESPRESSO-Daten im Jahr 2024 identifiziert wurde. Dieser Planet besitzt eine Masse von 30 % der Erde und umrundet seinen Stern alle 3,15 Tage in einer Distanz von 2,13 Millionen Meilen (3,4 Millionen Kilometer/0,0229 AE).
Planet c ist der Schwergewichtler in dieser Gruppe, mit einer Masse von 33,5 % der Erde. Er umkreist Barnards Stern in einer Entfernung von 2,55 Millionen Meilen (4,1 Millionen Kilometer/0,0274 AE) und hat eine Umlaufzeit von 4,12 Tagen.
Die ersten drei Planeten wurden ausschließlich durch die MAROON-X-Beobachtungen bestätigt. Um den vierten Planeten, e, zu bestätigen, mussten die MAROON-X-Daten mit den Messungen von ESPRESSO kombiniert werden. Dadurch konnte ein Planet mit nur 19 % der Masse der Erde entdeckt werden, der Barnards Stern alle 6,74 Tage in einer Entfernung von 3,56 Millionen Meilen (5,7 Millionen Kilometer/0,0381 AE) umkreist.
Diese Welten sind in Bezug auf ihre Entfernungen zueinander unglaublich kompakt. Zwischen den Planeten d und b liegen nur 600.000 Kilometer, und zwischen b und c sind es 700.000 Kilometer. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und unserem Mond beträgt lediglich 384.000 Kilometer. Stellen Sie sich vor, ein Planet wäre quasi vor unserer Haustür – nur doppelt so weit entfernt!
Doch so ist es nun einmal um Barnards Stern angeordnet.
Um den Kontrast noch deutlicher zu machen: Die NASA-Sonde Parker Solar Probe, die tatsächlich in die Sonnenkorona eintaucht, nähert sich der Sonnenoberfläche bis auf 3,9 Millionen Meilen (6,2 Millionen Kilometer). Die Umlaufbahnen aller vier Planeten um Barnards Stern würden problemlos in die Umlaufbahn der Parker Solar Probe passen. Um den Unterschied zwischen unserem Sonnensystem und dem Planetensystem von Barnards Stern weiter zu verdeutlichen: Der sonnennächste Planet in unserem System, Merkur, hat einen durchschnittlichen Abstand von 36 Millionen Meilen (58 Millionen Kilometern) zur Sonne.
Die geringen Abstände zwischen den Planeten um Barnards Stern erinnern an ein weiteres System um einen Roten Zwerg, TRAPPIST-1. Dort drängen sich sieben Planeten innerhalb von 5,75 Millionen Meilen (9,267 Millionen Kilometern) um ihren Zentralstern.
Ein roter Zwerg wie Barnards Stern unterscheidet sich jedoch stark von unserer Sonne. Er besitzt lediglich 16 % der Masse und 19 % des Durchmessers unserer Sonne. Dadurch ist auch sein Planetensystem deutlich kleiner dimensioniert. Rote Zwerge können zudem sehr unbeständig sein und stoßen häufiger als unsere Sonne Wolken geladener Teilchen und Strahlungsausbrüche aus, was nahegelegene Planeten ihrer Atmosphären berauben könnte. Allerdings nimmt die Aktivität roter Zwerge mit dem Alter ab, und das System von Barnards Stern ist etwa 10 Milliarden Jahre alt.
Dennoch wären keiner der bisher entdeckten Planeten für Leben, wie wir es kennen, bewohnbar, da sie zu nah am Stern sind und somit zu heiß. Die habitabile Zone um Barnards Stern würde stattdessen mit weiter entfernten Welten übereinstimmen, deren Umlaufzeiten zwischen 10 und 42 Tagen liegen. Bislang wurden jedoch keine Planeten in dieser Entfernung vom Stern gefunden.
„Mit dem aktuellen Datensatz können wir sicher ausschließen, dass es in der Nähe der inneren und äußeren Ränder der habitablen Zone Planeten gibt, die mehr als 40 bis 60 % der Erdmasse haben“, sagte Basant. „Außerdem können wir die Existenz von erdgroßen Planeten mit Umlaufzeiten von bis zu einigen Jahren ausschließen. Wir sind auch zuversichtlich, dass das System keinen Gasriesen in angemessener Entfernung beherbergt.“
MAROON-X konnte zwischen 2021 und 2023 insgesamt 112 Radialgeschwindigkeitsmessungen des Barnard-Sterns sammeln. Gleichzeitig hat ESPRESSO 149 Messungen dieser schnellen, aber kleinen Sterns aufgezeichnet. Diese Daten reichen jedoch noch nicht aus, um die Möglichkeit weiterer kleiner Planeten, die sich möglicherweise in der habitablen Zone verstecken könnten, vollständig auszuschließen.
„Wir haben außerdem weitere Daten aus dem Jahr 2024, die für diese Entdeckung nicht verwendet wurden“, sagte Basant. „Wenn ich eine Zahl nennen müsste, würde ich schätzen, dass etwa 50 zusätzliche Datenpunkte ideal wären, um mit den aktuellen Instrumenten die bestmögliche Sensitivität zu erreichen.“
MAROON-X wurde speziell dafür entwickelt, die Radialgeschwindigkeiten von Roten Zwergsystemen zu messen. Der Fokus auf Rote Zwerge hat zwei Gründe: Zum einen sind sie der häufigste Sterntyp in unserer Galaxie und machen den Großteil der uns am nächsten gelegenen Sterne aus. Zum anderen erleichtert ihre geringe Masse die Erkennung von Schwankungen in ihrer Bewegung, die durch erdgroße Gesteinsplaneten verursacht werden. Auf einem Acht-Meter-Teleskop wie Gemini North installiert und in der Lage, im nahen Infrarotbereich zu beobachten, wo Rote Zwerge wie Barnards Stern heller leuchten, ist MAROON-X ideal positioniert, um diese verkleinerten Planetensysteme zu erforschen.
„Diese Entdeckung war dank einer Kombination verschiedener Faktoren möglich“, erklärte Basant. „Wenn ich einen herausgreifen müsste, wäre es die beispiellose Präzision der Instrumente der nächsten Generation wie MAROON-X und ESPRESSO.“
Leider ziehen die vier Planeten des Barnard-Sterns aus unserer Perspektive nicht vor ihrem Stern vorbei. Das bedeutet, dass wir weder sekundäre Finsternisse beobachten können – bei denen die Planeten hinter ihrem Stern verschwinden und wir das Sternenlicht vom kombinierten Licht von Stern und Planeten abziehen können, um nur das Licht der Planeten zu erhalten – noch Transitspektroskopie durchführen können, bei der Sternenlicht durch mögliche Atmosphären der Planeten gefiltert wird und so vorhandene Moleküle offenbart.
„Auch wenn diese Planeten nicht vor ihrem Stern vorbeiziehen, lässt sich ihre Wärmestrahlung mit dem James Webb Space Telescope untersuchen“, sagt Basant. „Allerdings bleibt das eine Herausforderung.“
In der Zwischenzeit planen Basant, Bean und ihr Team, weiter nach weiteren Planeten zu suchen, die Barnards Stern umkreisen. Schließlich sind wir praktisch Nachbarn – und es ist höchste Zeit, dass wir dieses Planetensystem in unserer unmittelbaren Umgebung entdecken und kennenlernen.
Die Ergebnisse wurden am 11. März in den *Astrophysical Journal Letters* veröffentlicht.
