Ein internationales Forschungsteam hat im Sternsystem Beta Pictoris einen dritten Planeten nachgewiesen. Beta Pictoris d entging der Beobachtung mehr als ein Jahrzehnt lang, obwohl er in bereits archivierten Aufnahmen des Very Large Telescope vorhanden war. Erst eine Routinemessung mit dem Instrument ERIS lenkte den Blick auf ein schwaches Signal neben dem bekannten Nachbarplaneten. Der Gasriese bringt nur die 2,4-fache Jupitermasse auf die Waage und ordnet damit eine der auffälligsten Strukturen des Systems neu ein.
Garching (Deutschland). Der junge Stern Beta Pictoris im Sternbild Maler gehört seit mehr als vier Jahrzehnten zu den am gründlichsten vermessenen Objekten des Südhimmels. Er steht nur rund 63 Lichtjahre von der Erde entfernt, ist etwa 23 Millionen Jahre alt und zeigt damit, wie ein Planetensystem kurz nach seiner Entstehung aussieht. Bekannt sind dort eine ausgedehnte Scheibe aus Staub und Gesteinsbrocken sowie zwei massereiche Begleiter, die seit Jahren zu den Musterbeispielen der Planetenforschung zählen. Dass in einem derart oft beobachteten System noch ein weiterer Exoplanet unbemerkt seine Bahn ziehen könnte, hielten viele Fachleute für ausgeschlossen. Genau dieser Fall ist nun eingetreten. Mit dem Very Large Telescope in der chilenischen Atacama-Wüste haben Astronomen einen dritten Planeten aufgespürt, der sich über elf Jahre hinweg in längst vorhandenen Messdaten verbarg und dabei mehreren Suchkampagnen entging.
Die direkte Abbildung ferner Welten gilt als Königsdisziplin der beobachtenden Astronomie. Anders als bei indirekten Verfahren wird das Licht des Planeten selbst eingefangen, was nur gelingt, wenn er sich gegen den millionenfach helleren Zentralstern behaupten kann. Spezielle Koronografen dämpfen das Sternlicht, eine adaptive Optik gleicht die Luftunruhe über dem Teleskop aus, und rechenintensive Bildverarbeitung filtert das verbleibende Streulicht heraus. Erst diese Kombination macht Aufnahmen möglich, auf denen ein Planet als einzelner Lichtpunkt erscheint. Wie die Europäische Südsternwarte zu der Beobachtungskampagne mitteilt, stieß das Team bei der Untersuchung eines längst bekannten Begleiters auf ein zusätzliches, sehr schwaches Signal. Der entscheidende Schritt folgte erst danach im wissenschaftlichen Archiv, in dem Beobachtungen aus vielen Jahren gespeichert sind und in dem sich der Nachweis unabhängig überprüfen ließ.
Aufmerksam wurden die Forscher durch das Instrument ERIS am Very Large Telescope, mit dem sie eigentlich die zeitliche Veränderung des bekannten Planeten Beta Pictoris b verfolgen wollten. Neben dessen hellem Signal zeigte sich ein zweiter, deutlich schwächerer Punkt. Um auszuschließen, dass es sich um einen Hintergrundstern oder ein Messartefakt handelt, durchsuchte die Gruppe ältere Beobachtungen mit dem Koronografen SPHERE sowie Archivdaten der Kamera NIRCam am James-Webb-Weltraumteleskop. Das Objekt tauchte auf mehreren Aufnahmen auf, die bis zu elf Jahre zurückreichen, und bewegte sich dabei genau so, wie es ein gebundener Begleiter tun muss. Auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie waren an der Auswertung beteiligt und ordnen den Fund als Beleg dafür ein, dass in offen zugänglichen Teleskoparchiven noch zahlreiche unentdeckte Objekte schlummern. Aufwendige Nachfolgebeobachtungen waren deshalb ausnahmsweise nicht nötig.
Beta Pictoris d ist ein Gasriese, dessen Radius den des Jupiter um etwa 30 Prozent übertrifft, während seine Masse mit der 2,4-fachen Jupitermasse deutlich unter den rund zehn Jupitermassen der beiden bereits bekannten Begleiter liegt. Er umläuft seinen Stern in einem mittleren Abstand von etwa 26 Astronomischen Einheiten und benötigt dafür rund 91 Jahre, was ihn ungefähr auf die Bahnregion des Uranus in unserem Sonnensystem setzt. Seine Oberfläche ist mit gut 320 Grad Celsius vergleichsweise kühl, weshalb er im Infraroten nur schwach strahlt. Genau diese Kombination aus geringer Masse, großem Abstand und niedriger Temperatur machte den Nachweis so schwierig. Bezogen auf die Entfernung ist Beta Pictoris d damit der lichtschwächste Planet, der jemals von der Erde aus direkt abgebildet wurde, und leuchtet rund einhundertmal schwächer als sein großer Nachbar. Bislang gelang eine solche Abbildung von mehr als zwei Planeten nur bei HR 8799, wo Astronomen sogar Kohlendioxid direkt nachweisen konnten, bevor nun das zweite System dieser Art hinzukam.
Die Entdeckung schließt zugleich eine auffällige Lücke in der bisherigen Modellierung des Systems. Die Trümmerscheibe um Beta Pictoris setzt erst in etwa 30 bis 40 Astronomischen Einheiten Abstand ein, obwohl die beiden inneren Planeten viel zu nah am Stern kreisen, um den weit ausgeräumten Innenbereich zu erklären. Ein weiter außen laufender Körper war deshalb schon länger vorhergesagt worden, ohne dass sich seine Masse oder seine Bahn eingrenzen ließ. Der neu nachgewiesene Planet besitzt nun genau die Kombination aus Abstand und Gewicht, die für die beobachtete Form der Staub- und Geröllstruktur nötig ist. Damit wird aus einer Rechengröße ein konkretes Objekt, und die Entstehungsgeschichte des Systems lässt sich erstmals mit drei bekannten Riesenplaneten statt mit zwei durchspielen, was auch Rückschlüsse auf die Frühphase unseres eigenen Sonnensystems erlaubt.
Für die Zukunft rechnen die beteiligten Astronomen mit weiteren Funden dieser Art. Viele Systeme mit direkt abgebildeten Riesenplaneten beherbergen offenbar gleich mehrere solcher Körper, sodass masseärmere Begleiter dort bislang schlicht unter der Nachweisgrenze geblieben sein dürften. Das im Bau befindliche Extremely Large Telescope soll diese Grenze deutlich verschieben und Planeten sichtbar machen, die heute selbst im Infraroten unsichtbar bleiben. Wie empfindlich die Verfahren inzwischen sind, zeigt auch der Nachweis eines erdähnlichen Planeten beim nächstgelegenen Einzelstern, der ohne direkte Aufnahme gelang. Parallel dazu wächst der Wert bestehender Datenbestände, denn jede neue Auswertemethode lässt sich rückwirkend auf jahrzehntealte Beobachtungen anwenden. Der Fall Beta Pictoris d zeigt, dass der nächste Planet nicht zwingend am Teleskop wartet, sondern womöglich längst auf einer Festplatte im Archiv liegt.
The Astrophysical Journal Letters, Direct Imaging Discovery of Giant Exoplanet β Pictoris d: A Decade-Long Game of Hide-and-Seek; doi:10.3847/2041-8213/ae80a0