EIN ATOMUHR-TRICK, AUF DIE SONNE GERICHTET

Um einen Zwilling der Erde um einen anderen Stern zu finden, beobachten Astronomen, wie der Stern wackelt. Ein Planet mit Erdmasse, der einen sonnenähnlichen Stern im Abstand der Erde umkreist, bewegt ihn nur um 8,9 Zentimeter pro Sekunde, über ein Jahr oder länger. Diese winzige Bewegung verschiebt die Spektrallinien des Sterns um einige Zehnmilliardstel.

Die besten Instrumente der Planetensuche kommen dem nahe, indem sie Sternenlicht über große Gitter auffächern und die Verschiebungen von Hunderten oder Tausenden Linien zugleich mitteln. Selbst wenn sie mit Laser-Frequenzkämmen kalibriert sind, messen sie immer noch, wo das Licht auf einem Detektor landet – eine Wellenlänge, keine Frequenz.

Bei Atomuhren geborgt

Optische Uhren, die präzisesten Zeitmesser, arbeiten anders. Sie rasten einen Laser auf einen atomaren Übergang ein und zählen seine Frequenz mit einem Frequenzkamm, einem Laser, dessen Licht ein Lineal aus gleichmäßig verteilten Frequenzen bildet. Der Haken: Sie brauchen sauberes Laborlaserlicht, nicht das chaotische thermische Leuchten eines Sterns.

Connor Fredrick, Ryan K. Cole und Kollegen von der University of Colorado Boulder und dem US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben unter der Projektleitung von Scott Diddams das Uhrenrezept nun auf Sonnenlicht angewandt. Das Ergebnis nennen sie eine solare optische Uhr.

Eine Linie, ein Laser

• Ein kleiner Sonnennachführer auf einem Dach speist Licht von der ganzen Sonnenscheibe in eine Einmoden-Glasfaser ein – die Sonne wird gesehen, als wäre sie ein ferner Stern.
• Im Labor wird das Sonnenlicht auf einem Detektor mit einem Laser überlagert. Die Frequenz des Lasers wird hin- und hergewackelt, was ein Signal erzeugt, das genau in der Mitte einer Eisen-Absorptionslinie bei etwa 1.565,28 Nanometern auf null fällt, einer etwa 4,3 Gigahertz breiten Linie. Diese Breite ist kein Fehler des Geräts: Die Wärmebewegung und die Konvektion der Sonnengase verschmieren die Linie, und die Mitte muss innerhalb dieses verwaschenen Bands gefunden werden.
• Eine Regelschleife hält den Laser dort eingerastet. Gleichzeitig zählt ein Frequenzkamm, gekoppelt an einen vom NIST kalibrierten Wasserstoffmaser – eine Wasserstoff-Atomuhr, über einige Stunden sehr stabil, die hier als Zeitreferenz dient –, fortlaufend die Frequenz des Lasers – eine direkte Verbindung zur offiziellen Definition der Sekunde.

Ein Milliardstel einer Frequenz

In einer Sekunde findet der Laser die Linienmitte auf etwa 3 Megahertz genau, also auf ein Eintausendvierhundertstel der Linienbreite. In Geschwindigkeit sind das 4,7 Meter pro Sekunde: Der Dopplereffekt verschiebt die Lichtfrequenz proportional zur Geschwindigkeit der Quelle, und bei dieser Wellenlänge ist 1 Meter pro Sekunde etwa 0,64 Megahertz wert. Mittelung über einige Tausend Sekunden drückt das auf etwa 200 Kilohertz – etwa 30 Zentimeter pro Sekunde oder ein Milliardstel der Lichtfrequenz.

Die Präzision folgt dicht der Quantengrenze, die man bei dieser Art von Messung aus dem zufälligen Eintreffen der Photonen erwartet: Über die gemessenen Mittelungszeiten kommt kein sichtbares Instrumentenrauschen hinzu. Verglichen mit dem früheren Instrument des Teams, das langsam über die Linie fährt, ist der eingerastete Laser fast zehnmal präziser.

(a) Messungen der Linienmitte über 5.000 Sekunden mit dem eingerasteten Laser (dunkelblau) und dem abtastenden Instrument (hellblau); (b) die Schwingungen der Sonne erscheinen als Maximum bei etwa 5,5 Minuten; (c) die Präzision verbessert sich mit der Mittelungszeit in Richtung der Quantengrenze (gestrichelt). — Abbildung 4, Fredrick, Cole et al. (2026), arXiv:2610.28485.

Die Sonne atmet, der Mond zieht vorbei

Die Messungen zeigen die Eigenbewegung der Sonne. Ein klares Maximum bei 5,5 Minuten zeigt die akustischen Schwingungen ihrer Oberfläche, Schallwellen, die ihr Inneres abtasten. Sie sind auch ein Störfaktor: Die Präzision verbessert sich erst dann deutlich, wenn die Mittelung ihre Fünf-Minuten-Periode überspannt.

Am 8. April 2024 beobachtete das Team die partielle Sonnenfinsternis von Boulder aus, wo der Mond etwa 80 % der Sonne bedeckte. Da die Sonne rotiert, bewegt sich ein Rand auf uns zu und der andere von uns weg. Als der Mond erst den einen, dann den anderen Rand verdeckte, verschob sich die Eisenlinie um bis zu etwa 500 Meter pro Sekunde – der Rossiter-McLaughlin-Effekt, dieselbe Signatur, mit der man Planeten untersucht, die vor ihren Sternen vorüberziehen.

Die Finsternis vom 8. April 2024, gesehen von beiden Instrumenten: (a) die Linie verschiebt sich erst in die eine, dann in die andere Richtung, während der Mond die Sonnenscheibe überquert; (b, c) der eingerastete Laser (dunkelblau) streut weit weniger als das abtastende Instrument (hellblau). — Abbildung 5, Fredrick, Cole et al. (2026), arXiv:2610.28485.

Von der Sonne zu anderen Sternen

Die Autoren schätzen, dass ein 25- bis 40-Meter-Teleskop mit adaptiver Optik – die Größenklasse des Giant Magellan Telescope und des Extremely Large Telescope, die im Bau sind – diese Einzellinien-Präzision in wenigen Stunden auf die nächsten sonnenähnlichen Sterne übertragen könnte. Schärfere Modulation, längere Mittelung und mehrere gemeinsam gemessene Linien könnten in Richtung 10 Zentimeter pro Sekunde führen.

Sterne setzen ihre eigene Grenze. Ihre brodelnde Oberfläche, die Granulation, fügt selbst über eine Stunde Rauschen von mehreren Zehn Zentimetern pro Sekunde hinzu. Linien einzeln zu messen, jede auf ihre eigene Weise empfindlich für Magnetismus und Tiefe, ist genau das, was helfen könnte, die Unruhe eines Sterns vom Zug eines unsichtbaren Planeten zu unterscheiden.