Mrz 16 2009

Kepler, Transits und SETI

Der Start des amerikanischen Raumteleskops Kepler, das nach erdähnlichen Planeten um andere Sterne suchen soll, wirft interessante Fragen bezüglich der Suche nach Ausserirdischen Intelligenzen (SETI) auf.

Das Beobachtungsfeld von Kepler

Das Beobachtungsfeld von Kepler

Das Raumteleskop Kepler wird während etwas über drei Jahren in einem kleinen Himmelsbereich im Sternbild Schwan etwa 300000 Sterne permanent beobachten. Ein erdähnlicher Planet, der auf seiner Bahn von der Erde aus gesehen vor seinem Stern durchzieht, würde sich durch die geringfügige Verdunkelung seines Sterns (ein sogenannter Transit), bemerkbar machen – so die Idee hinter dem Projekt. Kepler wäre in der Lage, einen Planeten von der Grösse der Erde, in einer Umlaufbahn um einen Stern von der Grösse der Sonne gerade noch zu entdecken. Aus verschiedenen Abschätzungen hofft (oder erwartet?) man, dass Kepler etwa 20 bis 50 dieser Planeten finden könnte.

Diese Planeten wären von grossem Interesse für die Wissenschaft: Planeten, die mit der Transit-Methode entdeckt werden, können sehr detailiert untersucht werden: der genaue Verlauf des Transits gibt Informationen über allfällig vorhandene Monde oder Nachbarplaneten (sowie deren Massen, Bahnradien etc.) preis, aus dem Vergleich zwischen dem Lichtspektrum des Sterns während des Transits mit dem Lichtspektrum ausserhalb des Transits lässt sich die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten ableiten. Aus der Grösse des Planeten und aus seiner Masse wiederum lässt sich dann auf die Zusammensetzung des Planeten selbst schliessen, und so weiter. Kurz, es wäre durchaus möglich, dass wir bereits in gut dreieinhalb Jahren einige Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems kennen, auf denen eine erdähnliche Biosphäre durchaus denkbar ist (der Nachweis von Ozon im Lichtspektrum der Planetenatmosphäre wäre vermutlich ein sehr starker Hinweis auf die Anwesenheit von Leben: Ozon bildet sich in Sauerstoffatmosphären, und diese können sich nur halten, wenn der Sauerstoff konstant nachproduziert wird – etwa durch Photosynthese). Oder aber, das Gegenteil tritt ein: Kepler findet keinen einzigen dieser erdähnlichen Planeten – dies wäre ein starker Hinweis, dass erdähnliche Planeten und damit auch Zivilisationen selten sind im Weltall.

Stellen wir uns für einen Moment vor, wir würden mit Kepler tatsächlich eine solche erdähnliche, belebte Welt finden: was würde geschehen? Nun, es würden vermutlich viele Dinge ins Rollen kommen (einige würden vielleicht Pläne ausarbeiten, diese ferne Welt mit Raumsonden und später bemannten Raumschiffen zu erreichen?), aber irgendjemand würde mit Sicherheit diese Welt mit Radiowellen anfunken – für den Fall, dass sich auf dieser Welt irgendwelche intelligenten Wesen entwickelt haben, die Zeugen unseres kosmischen Mitteilungsbedürfnisses werden möchten. Das gleiche geschah übrigens schon vor zwei Jahren, als mit Gliese 581 c ein extrasolarer Planet entdeckt wurde, auf dem sich (auf den ersten Blick zumindest) möglicherweise Leben hätte entwickeln können (niemand hinderte damals allerdings die Zeitungen daran, die „Zweite Erde“ zu verkünden): auch damals wurden Radiobotschaften in Richtung von Gliese 581 c geschickt.

SETI, die (privat finanzierte) Suche nach ausserirdischen Zivilisationen, sucht nach genau solchen Signalen: Signalen, die spezifich auf die Erde gerichtet wurden (unspezifische Signale wie Radio- und Fernsehsendungen etc. sind viel zu schwach, als dass man sie über Distanzen von mehr als einigen 10 Lichtjahren entdecken könnte). Nun fragt man sich: woher sollen die Ausserirdischen wissen, dass sie genau die Erde anfunken sollen? Die ersten eigenen Funk-Signale, die die Menschheit produziert und ins All abgestrahlt hat, sind etwa 80 Jahre alt – kein Punkt ausserhalb einer Sphäre von 80 Lichtjahren Radius weiss also, dass sich auf der Erde eine technische Zivilisation mit der Fähigkeit zur Radiokommunikation entwickelt hat! Dieses Raumvolumen ist, gemessen an der ganzen Galaxis, winzig klein, ebenso die Chance, dass sich darin eine Zivilisation versteckt.

Doch die oben durchgespielte Reaktion auf die Entdeckung einer erdähnlichen Welt durch das Kepler-Teleskop zeigt uns, dass wir nicht zwingend zuerst Radiowellen einer fremden Zivilisation empfangen müssen, um von uns aus deren Planeten anzufunken: es reicht schon, wenn genug Leute davon überzeugt sind, dass es auf einem Planeten zumindest eine realistische Chance auf intelligente Empfänger gibt. Ein Teleskop wie Kepler kann uns sagen, auf welchen Planeten das der Fall ist.

Nun ist es aber so, dass die Transitmethode einen grossen Haken hat: Kepler kann wirklich nur Planeten sehen, die – vom Teleskop aus gesehen – exakt vor ihrem Stern durchziehen. Da die Bahn des fernen Planeten gegenüber unserer direkten Sichtlinie in alle beliebigen Richtungen geneigt sein kann, kann man nur eine kleine Minderheit (wenige Prozent) aller tatsächlich vorhandenen, erdähnlichen Planeten im Suchfeld finden. Für jede von Kepler gefundene „Erde“ gäbe es noch unzählige andere, deren Bahn gegenüber unserer Sichtlinie zu stark geneigt ist, um ihren Stern zu verdunkeln. Das heisst, es gibt für jeden erdähnlichen Planeten nur eine sehr schmale Zone in der Galaxis, von der aus sein Transit überhaupt beobachtet werden kann.

Gleiches gilt, und jetzt kommen wir der eigentlichen Sache näher, für die Erde. Nur einer winzigen Minderheit aller in der Milchstrasse (allenfalls) vorhandenen, ausserirdischen Zivilisationen ist es vergönnt, einen Transit der Erde vor der Sonne zu beobachten. Diese Zivilisationen befänden sich vorwiegend in dem Bereich, in dem sich die Ekliptik (die Bahnebene der Erde) mit dem Milchstrassenband (wo sich die meisten Sterne in der Galaxis befinden) deckt: dies ist in den Sternbildern Sagittarius (Schütze) und Taurus (Stier) der Fall. SETI könnte also bevorzugt in diese Richtungen lauschen: Zivilisationen in diesem Bereich der Galaxis sähen die Erde im Transit vor der Sonne durchziehen, könnten also deren Lebenfreundlichkeit erkennen und sich versucht sehen, die Erde direkt anzufunken. Zivilisationen ausserhalb dieser Zonen sähen die Erde nicht im Transit und hätten keine besondere Veranlassung, einen durchschnittlichen gelben Zwergstern wie die Sonne anzufunken. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass das vieldiskutierte Wow-Signal tatsächlich aus dem Sternbild Schütze kam…

Doch gleichzeitig macht diese Beobachtung wenig Hoffnung auf einen baldigen SETI-Erfolg: im Sternbild Schütze befindet sich der Kern der Galaxis: die meisten Sterne in diesem Bereich umkreisen das Zentrum schneller als die Spiralarme, womit sie immer wieder starker Strahlung ausgesetzt sind: keine guten Bedingungen für Leben oder Zivilisationen (anderseits gibt es in diesem Sternbild enorm viele Sterne, was diesen Nachteil möglicherweise wieder wettmacht oder gar in einen Vorteil). Schauen wir dagegen ins Sternbild Stier, so schauen wir direkt aus der Milchstrasse hinaus: hier gibt es nur noch vergleichsweise wenig Sterne (gleiches gilt für Sterne, die sich in diesem Schmalen Bereich, aber in der Milchstrassenebene „über“ oder „unter“ uns befinden – es sind vergleichsweise wenige). Wäre die Ekliptik anders orientiert, so dass die Schnittpunkte zwischen Ekliptik und Milchstrassenebene innerhalb des sogenannten „Korotationskreises“ zu liegen kämen (eine Art „bewohnbare Zone“ der Galaxis, die ich vielleicht in einem späteren Beitrag genauer erläutern werde), wären die Chancen viel besser. Noch besser wäre es, wenn die Ekliptik exakt mit der Milchstrassenebene zusammenfallen würde (derzeit beträgt die Neigung der Ekliptik gegenüber der Milchstrassenebene rund 60 Grad): in diesem Fall könnte praktisch jede Zivilisation in der Galaxis den Transit der Erde vor der Sonne beobachten!

Doch so wie die Dinge heute liegen, ist die Erde in Sachen Entdeckbarkeit durch Transits isoliert vom Rest der Galaxis. Liegt darin die Antwort für den bisherigen Misserfolg von SETI? Vielleicht sind wir einfach etwas zu spät bzw zu früh dran: vor rund 56 Millionen Jahren, also ein Viertel der Bahn der Sonne um den Kern der Galaxis zurück, kreuzte sich die Ekliptik mit der Milchstrassenebene im Bereich des Korotationskreises (unter der Annahme, dass sich die Neigung und Richtung des Ekliptik in der Zwischenzeit nicht geändert hat) – die Erde war damals so „sichtbar“ wie sie es nur werden kann.

Oder geht die Argumentation womöglich sogar anders herum? Ist die Isolation vielleicht ein auszeichnendes Merkmal einer sich heute noch entwickelnden Zivilisation? Konnten wir Menschen, mit anderen Worten, uns nur deshalb entwickeln, weil unsere Erde in ihrer Unentdeckbarkeit und Isolation lange genug von ausserirdischen Kolonisationsversuchen verschont blieb?

Möglicherweise sind diese Zusammenhänge einfach zufällig, und die Menschheit wurde noch nicht kontaktiert, weil es schlicht und einfach zu wenig Zivilisationen gibt im All. Zudem sind bereits Teleskope geplant, mit denen sich erdähnliche Planeten naher Sterne unabhängig von einem Transit nachweisen und untersuchen lassen – doch bis dahin wird es noch eine Weile dauern.

12 Comments

  • By Daniel, 17. März 2009 @ 00:20

    Die Kepler Mission dauert 3.5 bis max. 6 Jahre. Die geplante Suchtiefe beträgt 300 bis 1000 Lichtjahre. Das Flächenverhältnis Erde zu Sonne beträgt gerade mal 1:10,000. Hier entsteht ein grosser Spielraum für Spekulationen. Für den Nachweis eines Planten mit Erdgrösse, werden mehrere Sichtungen der Transits benötigt. Die Annahmen gehen von ca. 50 Treffern für erdähnlichen Planeten, innert 4 Jahren, aus. Die Möglichkeit eines Nullergebnisses selbst, wäre auch von grosser Bedeutung. Ein Nullergebnis würde die grosse Seltenheit von erdähnlichen Planeten in der Galaxie belegen. Gefundene erdähnliche Planten sind mögliche Ziele für die geplante Space Interferometry Mission SIM PlanetQuest. Die kostenoptimierte und mit 600 Mio. Dollar veranschlagte Kepler Mission wird in jedem Fall ein Erfolg.

  • By Rarehero, 21. März 2009 @ 23:53

    Meine erste Frage wäre, ob nicht auch Teleskope denkbar sind, die eine viel größere Auflösung besäßen als Kepler und nicht auf die Transitmethode angewiesen wären, etwa einen Planeten wie die Erde direkt sehen können. Ein solches Teleskop müsste ja nicht im Rahmen unserer Möglichkeiten (auch in der näheren Zukunft) liegen. Wenn man sich realistisch vorstellen kann, dass eine fremde Zivilisation vielleicht 100 oder 200 Jahre weiter ist als wir und ein solches Teleskop haben könnte, dann wären die Gedanken zur Neigung der Erdachse zwar nicht hinfällig aber doch deutlich weniger bedeutsam.

  • By Bynaus, 22. März 2009 @ 08:10

    @Daniel: Vielen Dank für die Ergänzungen.
    @Rarehero: Sicher, und darauf wollte ich im letzten Absatz ja auch anspielen. Bloss, es ist sehr viel einfacher, die gleiche Menge Information aus einem Planeten herauszukitzeln, wenn man die Transitmethode verwendet, als wenn man den Planeten direkt beobachten muss. Eine Zivilisation, die in der Lage ist, Transits von anderen bewohnbaren Welten zu analyzieren, dürfte unserer bezüglich Entwicklungsstand (und vielleicht auch Kommunikationsfreudigkeit?) nicht unähnlich sein.

  • By Marco, 6. April 2014 @ 22:00

    Bei „Das Zeitalter der Transits“ vom 29 Apr 2011 heißt es aber dass nur ein knappes fünftel aller Exoplaneten mit Transitmethode entdeckt worde wäre (jetzt wegen ‚vor 56 Millionen wäre die Erde sichtbar wie nie‘ gewesen).

  • By Marco, 8. April 2014 @ 03:57

    Zeigt der Nordpol unseres Sonnensystems Millionen Jahre lang immer in die selbe Richtung? Weil, die Erdachse hat zwar ihren Nordpolarstern aber Uranus liegt ja auf der Seite. Ginge das, das das Sonnensystem (oder irgendein anderes Planetensystem) immer rund 60° gegenüber der Milchstrassenebene geneigt ist?

  • By Marco, 8. April 2014 @ 15:56

    Also ich meine damit ob unser Sonnensystem genauso wie der Uranus auf der (fast) Seite liegend „rollt“. Ich nehme an eher unwahrscheinlich dass so etwas bei Sonnensystem geht.

  • By Marco, 11. April 2014 @ 01:00

    Ich muß jetzt doch etwas fragen was hier nicht hergehört: Stimmt das, das unser Sonnensystem alle 1362,4 Jahre ein Lichtjahr zurücklegt (nach meinen Berechnungen)?

  • By Matthias Meier, 23. April 2014 @ 09:28

    Das Sonnensystem braucht etwa 250 Mio Jahre, um die Galaxis zu umrunden, bei einem Bahnradius von etwa 30’000 Lichtjahren. Das sind in der Tat etwa 1300 Jahre pro Lichtjahr.

  • By Marco, 11. April 2014 @ 04:45

    Wenn dort ein bewohnbarer Exoplanet in 300 Lj. wäre, müßten noch 11 weitere mit der selben Entfernung zu uns da sein. Dann wären in grob 600 Lichtjahren noch einmal 42 weitere und in ungefähr 800 – 1012 Lj. ganze 92 bewohnbare Welten.
    Als ich 56% so alt war wie jetzt, hatte ich mal ausgerechnet, dass in unserer Galaxie ein Stern zum nächsten durchschnittlich 0,3 Lj. entfernt sein müsste, was ja nicht stimmen kann. Und damals nahm ich noch ein Würfelgitter statt der kubisch dichtesten Kugelpackung als Vorlage. Auch – vor wenigen Jahren – kam ich darauf das wenn alle Sterne (unsere Galaxie) gleich verteilt wären, bei gleichbleibenden Volumen (das unserer Galaxien), dann läge die Wahrscheinlichkeit bei, ich glaube 0,3% oder 3%, das man überhaupt auf einen Stern trifft, wenn man immer gerade ausfliegt, 75000 Lichtjahre. Wenn man sich nicht von der Schwerkraft beeinflussen läßt.
    Würden wir in der IC 1101 Galaxie leben und hätten dieselbe Sonne, und würden diese auch als Gravitationsteleskop nutzen, was könnte man eigentlich noch erkennen wenn das Ziel 4,5 Millionen Lichtjahre weit entfernt liegt? Mit blossen Auge wären das dann nur noch 2848,5 AE. In dieser Galaxie steht die Chane dann schon 18 – 180%, das man auf einen Stern zufliegt, wenn man 4,5 Mio. Lj. fliegt bei einer durchschnittlichen Verteilung der Sterne. Ach, ich habe ja gar nicht angenommen das viele ein Mehrfachsonnensystem bilden… .
    Wenn die Möbiusschleife 1-2 Dimension mehr hat als die Idee, auf der sie basiert (das man auf einer Linie läuft und wieder ankommt, wo man gestartet ist. Ich weiß, es geht darum dass man nur eine Fläche hat aber sie ist interessanter für mich wegen der Dimensionsanzahl), die kleinsche Fläche (die aber meiner Meinung nach mathematisch nicht richtig ist – nämlich das man von einem besonderen Punkt in 2 Richtungen, welche einen Winkel von 90° bilden, gehen kann und jeweils wieder am Ausgangspunkt ankommt – es funktioniert nur in einer Richtung), die aus 2 Dimensionen besteht und 4 Dimensionen durchdringt, also auch 2 mehr, könnte dann unser Universum 5 benötigen damit man wieder hier ankommt wenn man losfliegt? Bei Möbiusschleife und klein’scher Fläche kommt man ja zunächst (auf halbem Wege) verkehrt herum zuhause an, müßte ja dann bei unserem Universum genau so sein. Falls man das so hochrechnen kann (können nicht im mathematischen Sinne, sondern, weil das Irrsinn ist, das auf die Realität anzuwenden). Die Möbiusschleife braucht vielleicht nur 2 Dimensionen um zu existieren, kommt darauf an ob ein Punkt rotieren kann oder nicht (die Linie in der Mitte der Möbiusschleife dreht sich nicht wenn die Fläche im Verlauf ihrer Bahn gedreht wird), dann hätte sie nur ein Dimension mehr, da die kleinsche Fläche 2 zusätzlich Dimensionen braucht, wären es dann beim Universum 3, also 6 insgesamt. Weil, wenn das Universum ein Punkt war, sollten sich laut ein paar Internetseiten die ich jetzt nicht finde, 50% der Galaxien aus unserer, nein aus jeder Perspektive im Uhrzeigersinn drehen. Es drehen sich aber 6% zuviel in eine Richtung, ich weiss nicht mehr welche.

  • By Matthias Meier, 23. April 2014 @ 09:26

    Die mittlere Entferung zwischen zwei Sternen in der Galaxis beträgt etwa 3-4 Lichtjahre, wenn ich mich recht erinnere. Das passt recht gut zu den Beobachtungen in der Nachbarschaft der Sonne. Die Chance, auf einen Stern zu treffen, wenn man immer geradeaus fliegt, ist nahezu Null, weil Sterne sehr, sehr klein gegenüber den Distanzen zwischen ihnen sind.

  • By Fnord, 5. April 2016 @ 22:00

    Kommt drauf an, wie gross das Raumschiff ist 🙂

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  1. Final Frontier » Neue Erden — 20. April 2013 @ 23:46

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