Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, G-Niveau

Exoplaneten - Physik

Einleitung

Exoplaneten sind Planeten, die nicht unsere Sonne, sondern andere Sterne umkreisen. Meist sind sie so weit entfernt und im Vergleich zu ihrem Stern so lichtschwach, dass sie nicht direkt zu sehen sind. Deshalb weist man sie häufig über ihre Wirkung auf das Sternlicht oder auf die Bewegung des Sterns nach.

In diesem aiMOOC lernst Du die wichtigsten physikalischen Methoden kennen. Du arbeitest mit Gravitation, Doppler-Effekt, Photometrie, Spektroskopie und den Keplerschen Gesetzen.

Lernziele

Du kannst erklären, was ein Exoplanet ist.
Du kannst Transit- und Radialgeschwindigkeitsmethode physikalisch beschreiben.
Du kannst aus einer Lichtkurve Umlaufzeit und Planetenradius abschätzen.
Du kannst erklären, wie Masse, Radius und Dichte zusammenhängen.
Du kannst Aussagen über eine habitable Zone kritisch beurteilen.

Was sind Exoplaneten?

Ein Exoplanet gehört zu einem Planetensystem außerhalb unseres Sonnensystems. Bekannt sind sehr unterschiedliche Welten: heiße Gasriesen, Gesteinsplaneten, Supererden und Planeten ohne Entsprechung in unserem Sonnensystem.

Die ersten bestätigten Exoplaneten wurden 1992 bei einem Pulsar gefunden. 1995 folgte mit 51 Pegasi b der erste bestätigte Exoplanet um einen sonnenähnlichen Stern. Heute kennt die Forschung mehrere tausend bestätigte Exoplaneten. Die genaue Zahl wächst weiter.

Wichtig: Viele Bilder von Exoplaneten sind künstlerische Darstellungen. Sie verbinden Messdaten mit wissenschaftlich begründeten Annahmen und sind keine gewöhnlichen Fotografien.

Physikalische Grundlagen

Gravitation und gemeinsamer Massenmittelpunkt

Planet und Stern ziehen sich gegenseitig an. Beide bewegen sich um ihren gemeinsamen Massenmittelpunkt, das Baryzentrum. Weil der Stern viel massereicher ist, ist seine Bewegung meist klein, aber messbar.

Für zwei Körper gilt als Grundidee:

$F = G \frac{M_{*} M_{p}}{r^{2}}$

Dabei ist $G$ die Gravitationskonstante, $M_{*}$ die Sternmasse, $M_{p}$ die Planetenmasse und $r$ ihr Abstand.

Keplers drittes Gesetz

Die Umlaufzeit $T$ und die große Halbachse $a$ einer Bahn hängen zusammen:

$T^{2} = \frac{4 π^{2}}{G (M_{*} + M_{p})} a^{3}$

Da ein Stern meist viel massereicher als sein Planet ist, verwendet man häufig die Näherung:

$T^{2} \approx \frac{4 π^{2}}{G M_{*}} a^{3}$

Damit lässt sich aus Umlaufzeit und Sternmasse der mittlere Bahnradius abschätzen.

Nachweismethoden

Transitmethode

Zieht ein Planet aus unserer Sicht vor seinem Stern vorbei, verdeckt er einen kleinen Teil der leuchtenden Sternscheibe. Die gemessene Helligkeit sinkt kurz ab. Wiederholt sich der Einbruch regelmäßig, entsteht eine charakteristische Lichtkurve.

Die relative Transittiefe ist näherungsweise:

$δ = \frac{F_{n o r m a l} - F_{T r a n s i t}}{F_{n o r m a l}} \approx {(\frac{R_{p}}{R_{*}})}^{2}$

Daraus folgt:

$R_{p} \approx R_{*} \sqrt{δ}$

Beispiel: Sinkt die Helligkeit um 1 Prozent, ist das Verhältnis der Radien ungefähr $\sqrt{0,01} = 0,1$ . Der Planet hat dann etwa ein Zehntel des Sternradius.

Aus dem Abstand zweier Einbrüche erhält man die Umlaufzeit. Die Form der Lichtkurve enthält zusätzlich Informationen über Transitdauer, Bahnneigung und mögliche Störungen. Ein Transit ist aber nur sichtbar, wenn die Bahnebene günstig zu unserer Sichtlinie liegt.

Radialgeschwindigkeitsmethode

Durch die Anziehung des Planeten bewegt sich der Stern abwechselnd etwas auf uns zu und von uns weg. Dadurch verschieben sich seine Spektrallinien periodisch. Diese Verschiebung wird mit dem Doppler-Effekt gemessen.

Für Geschwindigkeiten weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit gilt näherungsweise:

$\frac{Δ λ}{λ_{0}} \approx \frac{v_{r}}{c}$

$Δ λ$ ist die Wellenlängenverschiebung, $λ_{0}$ die Ruhewellenlänge, $v_{r}$ die Radialgeschwindigkeit und $c$ die Lichtgeschwindigkeit.

Die Periodendauer der Messkurve entspricht der Umlaufzeit. Die Stärke des Signals liefert zusammen mit der Sternmasse eine Aussage über die Planetenmasse. Ohne genaue Bahnneigung erhält man meist zunächst nur eine Mindestmasse.

Direkte Abbildung und weitere Methoden

Bei der direkten Abbildung wird Licht des Planeten selbst gemessen. Das ist schwierig, weil der Stern sehr viel heller ist. Besonders günstig sind junge, warme und weit vom Stern entfernte Planeten. Koronografen können einen Teil des Sternlichts ausblenden.

Weitere Verfahren sind die Astrometrie, der Mikrolinseneffekt und Änderungen der Transitzeiten in Mehrplanetensystemen. Jede Methode besitzt andere Stärken und Auswahlwirkungen.

Was lässt sich über einen Exoplaneten bestimmen?

Radius, Masse und Dichte

Die Transitmethode liefert vor allem den Radius. Die Radialgeschwindigkeitsmethode liefert eine Masse oder Mindestmasse. Sind Masse und Radius bekannt, kann die mittlere Dichte berechnet werden:

$ρ_{p} = \frac{M_{p}}{\frac{4}{3} π R_{p}^{3}}$

Eine hohe Dichte spricht eher für einen großen Anteil an Gestein oder Metall. Eine geringe Dichte kann auf eine ausgedehnte Gas- oder Eishülle hinweisen. Die Dichte allein bestimmt die genaue Zusammensetzung jedoch nicht eindeutig.

Atmosphäre durch Spektroskopie

Während eines Transits durchläuft ein kleiner Teil des Sternlichts die Atmosphäre des Planeten. Atome und Moleküle absorbieren bestimmte Wellenlängen. Das entstehende Transmissionsspektrum kann Hinweise auf Stoffe wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid oder Methan geben.

Vorsicht: Der Nachweis eines Moleküls ist nicht automatisch ein Nachweis von Leben. Für eine belastbare Deutung müssen mehrere Stoffe, chemische Prozesse, Wolken, Temperatur und die Aktivität des Sterns berücksichtigt werden.

Temperatur und habitable Zone

Eine vereinfachte Gleichgewichtstemperatur lautet:

$T_{e q} \approx T_{*} \sqrt{\frac{R_{*}}{2 a}} (1 - A)^{1 / 4}$

Dabei sind $T_{*}$ die Sterntemperatur, $R_{*}$ der Sternradius, $a$ der Bahnradius und $A$ die Albedo. Die Formel nimmt eine gleichmäßige Wärmeverteilung an und lässt Treibhauseffekte zunächst weg.

Die habitable Zone ist der Abstandsbereich um einen Stern, in dem bei passenden Bedingungen flüssiges Wasser auf einer Planetenoberfläche möglich sein könnte. Sie ist kein Beweis für Bewohnbarkeit. Atmosphäre, Druck, Magnetfeld, geologische Aktivität und Sternausbrüche spielen ebenfalls eine Rolle.

Grenzen und Beobachtungsbias

Nachweismethoden finden nicht alle Planeten gleich gut. Transits bevorzugen große Planeten auf engen Bahnen und passend ausgerichtete Systeme. Radialgeschwindigkeitsmessungen reagieren besonders stark auf massereiche Planeten nahe am Stern. Direkte Aufnahmen gelingen eher bei jungen, hellen Planeten mit großem Winkelabstand.

Daher ist die Menge der entdeckten Exoplaneten kein unverzerrtes Abbild aller Planetensysteme. Physikalische Aussagen müssen Messunsicherheiten, Modellannahmen und Auswahlwirkungen berücksichtigen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist ein Exoplanet? (Ein Planet außerhalb unseres Sonnensystems) (!Ein Mond der Erde) (!Ein Stern außerhalb der Milchstraße) (!Ein Asteroid zwischen Mars und Jupiter)

Was wird bei der Transitmethode direkt gemessen? (Ein periodischer Helligkeitsabfall des Sterns) (!Die Lautstärke des Sterns) (!Die Temperatur der Erde) (!Die Farbe des Planeten mit bloßem Auge)

Welche Größe lässt sich besonders gut aus der Transittiefe bestimmen? (Der Radius des Planeten) (!Das Alter des Universums) (!Die Entfernung der Erde zur Sonne) (!Die Rotationsdauer der Erde)

Welcher physikalische Effekt wird bei der Radialgeschwindigkeitsmethode genutzt? (Der Doppler-Effekt) (!Der photoelektrische Effekt) (!Die Kernspaltung) (!Die Totalreflexion)

Um welchen Punkt bewegen sich Stern und Planet gemeinsam? (Um das Baryzentrum) (!Um den Nordpol) (!Um den Beobachter) (!Um den Mittelpunkt der Milchstraße)

Wozu dient Keplers drittes Gesetz bei Exoplaneten? (Zur Verknüpfung von Umlaufzeit und Bahngröße) (!Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit) (!Zur Berechnung elektrischer Spannung) (!Zur Erklärung der Kernfusion)

Welche Größe kann aus Masse und Radius berechnet werden? (Die mittlere Dichte) (!Die Lichtgeschwindigkeit) (!Die elektrische Ladung) (!Die Lautstärke)

Was bedeutet die Lage in einer habitablen Zone? (Flüssiges Wasser könnte unter passenden Bedingungen möglich sein) (!Auf dem Planeten lebt sicher intelligentes Leben) (!Der Planet ist genauso groß wie die Erde) (!Der Planet besitzt sicher Sauerstoff)

Warum sind direkte Aufnahmen von Exoplaneten schwierig? (Der Stern überstrahlt den viel lichtschwächeren Planeten) (!Exoplaneten senden grundsätzlich kein Licht aus) (!Teleskope funktionieren nur am Tag) (!Alle Exoplaneten liegen hinter schwarzen Löchern)

Warum werden mehrere Nachweismethoden kombiniert? (Weil sich ihre Informationen und Stärken ergänzen) (!Weil physikalische Gesetze nur zweimal gelten) (!Weil Lichtkurven keine Messdaten enthalten) (!Weil jeder Exoplanet zwei Sterne haben muss)

Memory

Transitmethode	Periodischer Helligkeitsabfall
Radialgeschwindigkeit	Dopplerverschiebung
Lichtkurve	Helligkeit über der Zeit
Spektroskopie	Zerlegung des Lichts nach Wellenlängen
Baryzentrum	Gemeinsamer Massenmittelpunkt
Dichte	Masse pro Volumen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Messprinzip
Transit	Helligkeitseinbruch
Radialgeschwindigkeit	Verschobene Spektrallinien
Direktaufnahme	Licht des Planeten
Mikrolinseneffekt	Gravitativ verstärktes Hintergrundlicht
Astrometrie	Positionsänderung des Sterns

Kreuzworträtsel

Transit	Wie heißt der Vorübergang eines Planeten vor seinem Stern?
Doppler	Welcher Effekt verschiebt Spektrallinien bei radialer Bewegung?
Spektrum	Wie heißt die Aufteilung von Licht nach Wellenlängen?
Dichte	Welche Größe ist Masse geteilt durch Volumen?
Baryzentrum	Wie heißt der gemeinsame Massenmittelpunkt zweier Himmelskörper?
Lichtkurve	Wie heißt ein Diagramm der Helligkeit über der Zeit?

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Lückentext

Ein Exoplanet umkreist einen

außerhalb unseres Sonnensystems. Bei einem Transit sinkt die gemessene

des Sterns. Aus der Tiefe des Transits lässt sich besonders der

des Planeten bestimmen. Die Radialgeschwindigkeitsmethode nutzt den

. Aus der Umlaufzeit und der Sternmasse kann mit Keplers Gesetz die Größe der

abgeschätzt werden. Aus Masse und Radius folgt die mittlere

. Die Untersuchung des Lichts nach Wellenlängen heißt

. In der habitablen Zone könnte unter passenden Bedingungen flüssiges

vorkommen. Eine habitable Zone ist kein Beweis für

. Unterschiedliche Empfindlichkeiten der Methoden erzeugen einen

.

Offene Aufgaben

Leicht

Begriffskarte Exoplaneten: Gestalte eine Begriffskarte mit Stern, Planet, Umlaufbahn, Transit und Baryzentrum.
Lichtkurve zeichnen: Zeichne eine einfache Transitlichtkurve und markiere Normalhelligkeit, Abfall und Umlaufzeit.
Transitmodell: Baue mit Lampe und Kugel ein Modell und filme den Helligkeitsabfall mit einem Sensor oder Smartphone.
Mediencheck Exoplaneten: Wähle ein Exoplanetenbild und erkläre, woran Du eine künstlerische Darstellung erkennst.

Standard

Transittiefe berechnen: Ein Stern verliert während eines Transits 0,25 Prozent seiner Helligkeit. Berechne das Verhältnis von Planetenradius zu Sternradius.
Doppler-Erklärung: Erstelle eine kurze Audio- oder Videoerklärung, die den Doppler-Effekt zuerst mit Schall und dann mit Sternlicht erklärt.
Methodenvergleich: Vergleiche Transit, Radialgeschwindigkeit und direkte Abbildung in einem Poster mit Messgröße, Stärke und Grenze.
Habitable Zone diskutieren: Entwickle Kriterien, die zusätzlich zur Entfernung vom Stern für mögliche Bewohnbarkeit wichtig sind.

Schwer

Lichtkurvendaten auswerten: Nutze eine frei verfügbare Lichtkurve, bestimme Umlaufzeit und Transittiefe und dokumentiere Unsicherheiten.
Dichte eines Exoplaneten: Berechne aus einer gegebenen Masse und einem gegebenen Radius die mittlere Dichte und diskutiere mögliche Zusammensetzungen.
Beobachtungsprogramm planen: Entwirf eine Messstrategie, mit der ein Transitkandidat durch eine zweite Methode geprüft werden kann.
Wissenschaftskommunikation prüfen: Vergleiche eine Schlagzeile über einen angeblich bewohnbaren Planeten mit der Originalquelle und bewerte die Aussagekraft.

Lernkontrolle

Transfer Transitmodell: Erkläre, wie sich die Lichtkurve verändert, wenn der Planet größer wird, ohne dass sich seine Umlaufbahn ändert.
Transfer Bahnperiode: Begründe mit Keplers drittem Gesetz, warum ein Planet auf einer größeren Bahn meist länger für einen Umlauf benötigt.
Transfer Messmethoden: Ein Planet wurde per Transit entdeckt. Entscheide, welche zusätzliche Methode besonders hilfreich ist, um seine Dichte zu bestimmen, und begründe.
Transfer Beobachtungsbias: Erkläre, warum viele entdeckte Planeten große, sternnahe Welten sind, obwohl solche Planeten nicht zwingend am häufigsten sein müssen.
Transfer Habitable Zone: Beurteile die Aussage: Ein Planet in der habitablen Zone ist bewohnt.
Transfer Spektrum: Entwickle eine Begründung, warum ein einzelnes Molekül in einer Atmosphäre noch keinen sicheren Lebensnachweis darstellt.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

die Begriffe Exoplanet, Transit, Radialgeschwindigkeit, Baryzentrum und habitable Zone korrekt verwenden,
mindestens zwei Nachweismethoden physikalisch erklären,
eine einfache Lichtkurve lesen und auswerten,
die Formeln für Transittiefe, Keplers Gesetz oder Dichte sinnvoll anwenden,
Messunsicherheiten und Beobachtungsbias benennen,
zwischen Messdaten, Modell und künstlerischer Darstellung unterscheiden,
eine Aussage zur möglichen Bewohnbarkeit kritisch begründen.

OERs zum Thema

Wikimedia Commons: Freie Medien zu Exoplaneten

Verknüpfte Lernbereiche

Exoplaneten - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.