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Autor: Ralph-Mirko Richter / 10. Februar 2010, 22:32 Uhr

Neue Methode zur Untersuchung von Exoplaneten

Mit einem Infrarotteleskop, dessen Hauptspiegel einen Durchmesser von lediglich drei Metern aufweist, haben Wissenschaftler organische Moleküle in der Atmosphäre des etwa 63 Lichtjahre entfernten Exoplaneten HD 189733 b nachgewiesen. Für ein erdgebundenes Teleskop dieser Größe stellt dies einen bislang nicht erreichten Erfolg dar.

Quelle: MPIA, JPL, exoplanet.eu
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NASA, JPL-Caltech

Bild vergrößernEine schematische Darstellung zeigt den Umlauf von HD 189733 b um sein Zentralgestirn.
(Bild: NASA, JPL-Caltech)
Wollen Astronomen die Zusammensetzung der Atmosphäre eines Exoplaneten ermitteln, so sind sie dabei auf die Methode der Spektroskopie angewiesen. Bei dieser Vorgehensweise wird das Licht, welches von einem Sternsystem in verschiedenen Wellenlängenbereichen ausgestrahlt wird, künstlich in Hunderte von einzelnen Farben zerlegt. Diese so gewonnenen einzelnen Spektrallinien werden anschließend systematisch analysiert. Aus den so gewonnenen Daten lassen sich Rückschlüsse über das Vorkommen einzelner Molekülarten und somit auch über die chemische Zusammensetzung der beobachteten Sterne und Exoplaneten gewinnen.

Um die viele Lichtjahre entfernten Planeten und ihre Sterne in einer ausreichenden Auflösung darstellen zu können, wurden für derartige Untersuchungen bislang Weltraumteleskope oder aber die größten und modernsten erdgebundenen Teleskope benötigt. Durch eine neue Methode der Datenauswertung, welche eine Gruppe von Astronomen aus den Vereinigten Staaten, Großbritannien und Deutschland entwickelt und erfolgreich getestet hat, wird die Exoplaneten-Spektroskopie jetzt auch deutlich kleineren, billigeren und somit auch weiter verbreiteten bodengebundenen Teleskopen zugänglich.

Im August 2007 führte das Team mit der Infrared Telescope Facility (IRTF), einem lediglich 3 Meter durchmessenden und mit einem Alter von 30 Jahren auch schon recht betagten Infrarot-Teleskop auf dem Maua Kea auf Hawaii, spektroskopische Beobachtungen an dem Exoplaneten HD 189733 b und dessen Zentralgestirn HD 189733 A durch. HD 189733 b benötigt etwa zwei Tage und fünf Stunden, um seinen etwa 63 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernten Zentralstern zu umkreisen. Mit einer Masse von ungefähr dem 1,13-fachen der Jupitermasse handelt es sich hierbei um einen Exoplaneten aus der Gruppe der sogenannten "Hot Jupiters".

Max-Planck-Institut für Astronomie

Bild vergrößernZieht man vom Gesamtspektrum von Stern und Planet das Spektrum des Sterns ab, so gewinnt man das Spektrum des Planeten. Daraus wiederum lässt sich die Zusammensetzung der Planetenatmosphäre ableiten.
(Bild: Max-Planck-Institut für Astronomie)
Von der Erde aus gesehen verschwindet HD 189733 b auf seiner Orbitbahn in regelmäßigen Abständen hinter dem Zentralgestirn. Das Spektrum des Planeten lässt sich dabei bestimmen, indem man das von dem Gesamt-System direkt vor einer solchen "Planetenfinsternis" empfangene Licht mit dem während der eigentlichen Finsternis empfangenen Licht vergleicht. Moleküle, welche bei der Finsternis nicht mehr nachgewiesen werden können, kann man eindeutig der Atmosphäre des Planeten zurechnen und nicht etwa dem Stern. Allerdings sorgen bei derartigen Messungen Turbulenzen in der Erdatmosphäre für Störungen und Messfehler, deren Einfluss auf die Korrektheit des Messergebnisses sich nur schwer beurteilen und anschließend korrigieren lassen.

Jeroen Bouwman vom in Heidelberg ansässigen Max-Planck-Institut für Astronomie erklärt dazu: "Mit einer neu entwickelten Kalibrationsmethode können wir die Lichtveränderungen, die sich durch die Planetenfinsternis ergeben, von den Lichtveränderungen durch atmosphärische Turbulenzen und von Störsignalen des Detektors unterscheiden." Für die Entwicklung der dafür verwendeten Methode benötigten die Wissenschaftler fast zwei Jahre. Dieser zeitliche Aufwand hat sich allerdings gelohnt. Mittels der neu entwickelten Auswertungssoftware können die bei den Messungen auftretenden Störeffekte nun auch bei deutlich leistungsschwächeren Instrumenten eliminiert werden, da es möglich ist, das extrem schwache Spektrum des Exoplaneten von dem dominanten Hintergrund des Zentralsterns und der Erdatmosphäre zu trennen.

Zuvor waren derartige Messungen mit der erforderlichen Präzision nur mit Hilfe von Weltraumteleskopen oder mit erdgebundenen Großteleskopen möglich gewesen. Deren Beobachtungszeit ist jedoch streng rationiert und zudem sehr teuer. Durch die neue Methode sind die spektrografischen Messungen ab jetzt auch mit bodengebundenen Teleskopen durchführbar, deren Spiegeldurchmesser lediglich wenige Meter beträgt. Der Erstautor der am 4. Februar 2010 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie, Mark Swain vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, erläutert dies weiter: "Dass wir unsere neuen Ergebnisse mit einem vergleichsweise kleinen, bodengebundenen Teleskop gewinnen konnten, ist geradezu sensationell. Dies bedeutet, dass die größten bodengebundenen Teleskope mit Hilfe dieser neuen Methode in der Lage sein müssten, erdähnliche Exoplaneten zu untersuchen. Optimale Beobachtungsbedingungen vorausgesetzt sollten wir sogar in der Lage sein, mit bereits jetzt vorhandenen Instrumenten organische Moleküle nachzuweisen."

NASA, JPL-Caltech

Bild vergrößernDurch die neu angewandte Methode konnte mit einem relativ kleinen Teleskop Wasser, Methan und Kohlendioxid in der Planetenatmosphäre nachgewiesen werden. Dies steht im Einklang mit früheren Messungen des Weltraumteleskops Hubble.
(Bild: NASA, JPL-Caltech)
Und genau dies ist zugleich auch eines der großen Ziele der Exoplaneten-Forscher und allgemein ein Schlüsselziel der modernen Astronomie. Die Untersuchung der chemischen Eigenschaften erdähnlicher Planeten außerhalb unseres Sonnensystems stellt einen wichtiger Schritt bei der Suche nach bewohnbaren Exoplaneten oder, noch weiter gedacht, bei der Suche nach Spuren von Leben auf solchen Planeten dar. Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie und Co-Autor der Studie, fügt hinzu: "Hier zeigt sich das Potenzial von neuen Instrumenten wie dem Spektrografen LUCIFER, der derzeit am Large Binocular Telescope in Arizona installiert wird."

Die Atmosphäre des Exoplaneten HD 189733 b wurde bereits im Jahr 2008 durch das Weltraumteleskop Hubble untersucht. Dabei konnten unter anderem Wasser, Methan und Kohlendioxid nachgewiesen werden. Bei den aktuellen Beobachtungen des Teams um Mark Swain konnte dieser Nachweis bestätigt werden. Die gewonnenen Daten stimmen so gut mit denen des Weltraumteleskops überein, dass die Wissenschaftler sehr optimistisch sind, in Zukunft zahlreiche weitere Exoplaneten mit vergleichsweise einfachen und billigen Mitteln vom Boden aus erfolgreich untersuchen zu können.

Die ersten Beobachtungen mit der neuen Methode haben jedenfalls bereits interessante Erkenntnisse zu den Eigenschaften der Atmosphären von HD 189733 b erbracht. Bisherige Modelle basieren auf der Annahme, dass Veränderungen in der Atmosphäre eines Exoplaneten vergleichsweise langsam ablaufen müssen. Bei den Beobachtungen von HD 189733 b stellte man jedoch fest, dass sich auf dessen Tagseite unerwartet starke Emissionen von Methan nachweisen lassen. Dies wiederum ist ein Anzeichen für eine bisher nicht näher bestimmte, aber auf jeden Fall sehr starke Aktivität in dessen Atmosphäre. "Dies stellt lediglich einen Vorgeschmack auf die Überraschungen dar, welche wir bei der Erforschung von Exoplaneten noch erleben werden", so Mark Swain.

Bis zum heutigen Tag sind uns insgesamt 429 Exoplaneten bekannt. Bei den meisten dieser Planeten handelt es sich um jupiterähnliche Gasriesen, welche sich wiederum auf Bahnen bewegen, die in unmittelbarer Umgebung ihres Zentralgestirns verlaufen. Einige wenige Exoplaneten werden aber von ihrer Masse her auch bereits der Kategorie der sogenannten "Supererden" zugerechnet. Die Wissenschaftler sind optimistisch, dass es dem Weltraumteleskop Kepler gelingen wird, erstmals auch Exoplaneten von der Größe der Erde nachzuweisen. Die jetzt entwickelte Untersuchungsmethode hat die Möglichkeiten für deren zukünftige Erforschung ohne Zweifel erweitert.

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