Quelle: Universität Bern 12. September 2022.

12. September 2022 – Seit seinem Start vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana am 18. Dezember 2019 hat das CHEOPS-Teleskop in der Erdumlaufbahn seine Funktionalität und Präzision über alle Erwartungen hinaus bewiesen. In dieser Zeit hat es die Eigenschaften von zahlreichen faszinierenden Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, von sogenannten Exoplaneten also, aufgedeckt und ist zu einem Schlüsselinstrument für Astronominnen und Astronomen in Europa und weltweit geworden.

Ermöglichung umfangreicher Forschung in ganz Europa
In mehr als einer Million Minuten Beobachtungszeit hat CHEOPS Exoplaneten aus jedem Blickwinkel beobachtet: ihre Nachtseite, wenn sie vor ihren Sternen vorbeiziehen, ihre Tagseite, wenn sie hinter ihren Sternen vorbeiziehen, und alle Phasen, wie die des Mondes, dazwischen. «Die präzisen Daten, die wir mit CHEOPS gesammelt haben, haben Früchte getragen: Mehr als fünfzig wissenschaftliche Studien wurden von über hundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die das CHEOPS- Wissenschaftsteam bilden und die an Dutzenden von Institutionen in ganz Europa arbeiten, veröffentlicht oder sind in Vorbereitung», berichtet Willy Benz, emeritierter Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Leiter des CHEOPS-Konsortiums.

Dies wurde erreicht, ohne dass sich aufgrund der Pandemie die internationalen Forschungsteams, die das Instrument nutzen, physisch treffen konnten. Zum ersten Mal seit dem Start von CHEOPS können sich nun alle beteiligten Forschenden vom 12. bis 14. September 2022 in Padua, Italien, treffen. «Es ist das erste Mal seit drei Jahren, dass wir endlich zusammenkommen können», sagt Missionswissenschaftler David Ehrenreich, Professor für Astronomie an der Universität Genf. «Es ist ein tolles Gefühl, zu feiern, was wir in 1000 Tagen entdeckt haben, und vor Ort zu diskutieren, was wir als Nächstes tun werden.»

Zu den Entdeckungen gehört zum Beispiel die Charakterisierung glühend heißer, eisenverdampfender Atmosphären auf Planeten, die ihren Sternen so nahe sind, dass sie durch die immensen Gravitationskräfte zu Rugby-Bällen verformt werden. «Durch die Entdeckung eines Systems mit sechs Planeten, von denen fünf ihren Stern in einer fragilen Harmonie umkreisen, hat CHEOPS uns auch Einblicke in die Entstehung von Planetensystemen gegeben», sagt Ehrenreich.

Erst Anfang dieses Jahres hat das Weltraumteleskop erneut seine erstaunliche Präzision unter Beweis gestellt, indem es das schwache Licht gemessen hat, das von einem 159 Lichtjahre entfernten Planeten im Sternbild Pegasus reflektiert wird. «Obwohl dieser Planet, HD 209458b, sicherlich der am besten untersuchte Exoplanet aller Zeiten ist, mussten wir 22 Jahre auf CHEOPS und seine erstaunliche Präzision und Hingabe warten, um das von seiner Atmosphäre reflektierte sichtbare Licht messen zu können», sagt Benz stolz.

Ein wertvolles und langlebiges Gut
«Auch nach tausend Tagen in der Umlaufbahn funktioniert CHEOPS immer noch einwandfrei und zeigt nur sehr geringe Abnutzungserscheinungen, die durch die von der Sonne ausgestrahlten energiereichen Teilchen verursacht werden», sagt die CHEOPS-Instrumentenwissenschaftlerin Andrea Fortier von der Universität Bern. Unter diesen Bedingungen rechnet die Forscherin damit, dass CHEOPS noch eine ganze Weile andere Welten beobachten könnte. «Es wird seine Mission um die Erde bis mindestens September 2023 fortsetzen, aber das CHEOPS-Team arbeitet mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem Swiss Space Office (SSO) zusammen, um die Mission bis Ende 2025 und möglicherweise sogar darüber hinaus zu verlängern», sagt Fortier.

Die Fähigkeiten von CHEOPS könnten der wissenschaftlichen Gemeinschaft weiterhin gute Dienste leisten, auch wenn das James Webb Weltraumteleskop bereits in Betrieb ist. «Wir sind überzeugt, dass CHEOPS mit seiner hohen Präzision und Flexibilität als Brücke zwischen anderen Instrumenten und Webb dienen kann, da das leistungsstarke Teleskop präzise Informationen über potenziell interessante Beobachtungsziele benötigt. CHEOPS kann diese Informationen liefern – und damit den Betrieb von Webb optimieren», betont Willy Benz. Dies geschieht bereits, denn das Webb-Teleskop wird im Laufe dieses Jahres mehrere von CHEOPS bereits beobachtete Systeme genauer untersuchen.

CHEOPS – Auf der Suche nach potenziell lebensfreundlichen Planeten
Die CHEOPS-Mission (CHaracterising ExOPlanet Satellite) ist die erste der neu geschaffenen «S-class missions» der ESA – Missionen der kleinen Klasse mit einem Budget, das kleiner ist als das von großen und mittleren Missionen, und mit einer kürzeren Zeitspanne von Projektbeginn bis zum Start.

CHEOPS widmet sich der Charakterisierung von Exoplaneten-Transiten. Dabei misst CHEOPS die Helligkeitsänderungen eines Sterns, wenn ein Planet vor diesem Stern vorbeizieht. Aus diesem Messwert lässt sich die Größe des Planeten ableiten und mit bereits vorhandenen Daten daraus die Dichte bestimmen. So erhält man wichtige Informationen über diese Planeten – zum Beispiel, ob sie überwiegend felsig sind, aus Gasen bestehen oder ob sich auf ihnen tiefe Ozeane befinden. Dies wiederum ist ein wichtiger Schritt, um zu bestimmen ob auf einem Planeten lebensfreundliche Bedingungen herrschen.

CHEOPS wurde im Rahmen einer Partnerschaft zwischen der ESA und der Schweiz entwickelt. Unter der Leitung der Universität Bern und der ESA war ein Konsortium mit mehr als hundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Ingenieurinnen und Ingenieuren aus elf europäischen Nationen während fünf Jahren am Bau des Satelliten beteiligt.

CHEOPS hat am Mittwoch, 18. Dezember 2019 an Bord einer Sojus-Fregat-Rakete vom Europäischen Weltraumbahnhof Kourou, Französisch-Guyana, seine Reise ins Weltall angetreten. Seither umkreist CHEOPS die Erde innerhalb von ungefähr anderthalb Stunden in einer Höhe von 700 Kilometer entlang der Tag-Nacht-Grenze.

Der Bund beteiligt sich am CHEOPS-Teleskop im Rahmen des PRODEX-Programms (PROgramme de Développement d’EXpériences scientifiques) der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Über dieses Programm können national Beiträge für Wissenschaftsmissionen durch Projektteams aus Forschung und Industrie entwickelt und gebaut werden. Dieser Wissens- und Technologietransfer zwischen Wissenschaft und Industrie verschafft dem Werkplatz Schweiz letztlich auch einen strukturellen Wettbewerbsvorteil – und er ermöglicht, dass Technologien, Verfahren und Produkte in andere Märkte einfließen und so einen Mehrwert für unsere Wirtschaft erbringen.

Die Universität Bern nimmt regelmäßig an Weltraummissionen der großen Weltraumorganisationen wie ESA, NASA, oder JAXA teil. Mit CHEOPS teilt sich die Universität Bern die Verantwortung mit der ESA für eine ganze Mission. Zudem sind die Berner Forschenden an der Weltspitze mit dabei, wenn es etwa um Modelle und Simulationen zur Entstehung und Entwicklung von Planeten geht. Die erfolgreiche Arbeit der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie (WP) des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde durch die Gründung eines universitären Kompetenzzentrums, dem Center for Space and Habitability (CSH), gestärkt. Der Schweizer Nationalfonds sprach der Universität Bern zudem den Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS zu, den sie gemeinsam mit der Universität Genf leitet.

CHEOPS liefert wichtige Informationen über Größe, Form und Entwicklung bekannter Exoplaneten. Die Einrichtung des «Science Operation Center» der CHEOPS-Mission in Genf unter der Leitung von zwei Professoren der Astronomieabteilung der UniGE ist eine logische Fortsetzung der Forschungsgeschichte auf dem Gebiet der Exoplaneten – denn hier wurde 1995 der erste Exoplanet von Michel Mayor und Didier Queloz, den Nobelpreisträgern für Physik von 2019, entdeckt. Mit dieser Entdeckung positionierte sich die Astronomieabteilung der Universität Genf an der Weltspitze auf diesem Gebiet, was unter anderem 2003 zum Bau und der Installation von HARPS führte. Der Spektrograph auf dem 3,6-m-Teleskop der ESO in La Silla war zwei Jahrzehnte lang der weltweit effizienteste, wenn es um die Bestimmung der Masse von Exoplaneten ging. In diesem Jahr wurde HARPS jedoch von ESPRESSO übertroffen, einem weiteren Spektrographen, der in Genf gebaut und auf dem VLT in Paranal installiert wurde. CHEOPS ist somit das Ergebnis von zwei nationalen Expertisen: einerseits dem Weltraum-Know-how der Universität Bern in Zusammenarbeit mit ihren Genfer Kolleginnen und Kollegen, und andererseits der Bodenerfahrung der Universität Genf in Zusammenarbeit mit ihrem Pendant in der Hauptstadt. Zwei wissenschaftliche und technische Kompetenzen, die auch den Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS ermöglichten.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: NASA, Hubble News Release. Vertont von Peter Rittinger.

Bis zum 19. Juli 2010 gelang den Astronomen der Nachweis von 464 Exoplaneten, welche außerhalb unseres Sonnensystems ihre jeweiligen Muttersterne umrunden. Eine der dabei angewandten Nachweismethoden für diese Planeten ist die sogenannte Transitmethode. Sobald ein Exoplanet von der Erde aus gesehen direkt vor seinem Mutterstern vorbeizieht, nimmt die Helligkeit des beobachteten Sterns um einen winzigen Bruchteil ab, da der Planet einen Teil des von seinem Zentralgestirn ausgehenden Lichts abschirmt. Je größer der dabei beobachtete Exoplanet ausfällt beziehungsweise je enger dessen Umlaufbahn um den Stern ist, umso größer wird auch der Anteil der dabei verdeckten Sternoberfläche und umso stärker nimmt dadurch die Helligkeit des bedeckten Sterns ab. Durch Messungen, welche bei diesen Ereignissen durchgeführt werden, können dabei auch die Atmosphären dieser „Transit-Planeten“ untersucht werden.

Der erste Planet, welcher mit dieser Methode nachgewiesen werden konnte, war der mittlerweile relativ gut untersuchte Exoplanet HD 209458b. Am 7. November 1999 konnte beobachtet werden, wie sich die Helligkeit des im Sternbild Pegasus gelegenen und rund 153 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernten Sterns HD 209458 für einen Zeitraum von etwa drei Stunden um den minimalen Wert von rund 1,7 Prozent verringerte. Diese Beobachtung konnte damals der Astronom Greg Henry am Fairborn-Observatorium/USA aufgrund der Berechnungen eines von Geoffrey Marcy, Professor an der Universität von Kalifornien, geleiteten Astronomen-Teams durchführen.

In den darauffolgenden Jahren entwickelten sich der Stern HD 209458 und sein ihn umrundender Planet zu einem beliebten Beobachtungsziel der Astronomen. Der Stern, so die bisher gewonnenen Resultate, ist unserer Sonne sehr ähnlich. Bei einem lediglich rund 15 Prozent größeren Durchmesser verfügt er in etwa über die gleiche Masse und eine ähnliche Spektralklasse (G0 V). Mit einem Alter von etwa fünf Milliarden Jahren ist er allerdings etwas älter als unser Zentralgestirn.

Der dort entdeckte Exoplanet HD 209458b, auch unter seinem inoffiziellen Namen „Osiris“ bekannt, umrundet seinen Zentralstern innerhalb von lediglich etwa 3,5 Tagen. Wegen der daraus resultierenden großen Nähe zu seinem Mutterstern heizt sich die dem Stern zugewandte Seite der Oberfläche des Exoplaneten dabei laut der erstellten Modelle auf einen Wert von rund 1.100 Grad Celsius auf. Da der Planet zudem in etwa die Masse des größten Planeten unseres Sonnensystems, des Jupiters, aufweist, wird er der Klasse der sogenannten Hot Jupiters zugerechnet.

Wegen der hohen Temperaturen auf der Oberfläche des Exoplaneten vermuteten die Forscher schon seit längerem, dass dieser und andere „Hot Jupiters“ größere Mengen an Gas verlieren könnten, die aus deren Atmosphären in das die Exoplaneten umgebende Weltall entweichen. Bereits im Jahr 2003 hatte es dabei aufgrund von Datenanalysen erste Hinweise auf Gasströme gegeben, welche von HD 209458b entweichen. So zeigten Daten, welche durch den Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) des Hubble Space Telescopes gesammelt wurden, eine aktive, sich verflüchtigende Atmosphäre des Exoplaneten.

Ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Alfred Vidal-Madjar vom Institut für Astrophysik des CNRS in Paris/Frankreich entdeckte dabei einen überraschenden Abfall in der Wasserstoffemission des Zentralsterns, wofür das Vorhandensein einer extrem ausgedehnten Atmosphäre des Exoplaneten die beste Erklärung darstellte. Die äußere Atmosphäre des Exoplaneten, so die Vermutung, wird dabei durch den nur etwa sieben Millionen Kilometer entfernten Stern so stark erhitzt und ausgedehnt, dass sie beginnt, sich der Anziehungskraft des Planeten zu entziehen. Unter dem Einfluss der von dem Stern ausgehender Wärmestrahlung verdampft dabei der Wasserstoff in der oberen Atmosphärenschicht des Planeten. Allerdings ließ sich mit den damaligen Daten nicht eindeutig klären, ob der Planet im Rahmen dieses Prozesses auch einen Gasschweif ausbildet, welcher ihm wie ein Kometenschweif folgt, da das STIS-Instrument nicht in der Lage war, die hierfür nötigen spektroskopischen Details darzustellen.

Erst jetzt gelang es einem anderen Wissenschaftlerteam um Jeffrey Linsky von der University of Colorado in Boulder/USA, mit Hilfe von weiteren Daten, welche durch den „Cosmic Origins Spectrograph“ (COS) an Bord des Hubble Space Telescopes gewonnen wurden, nachzuweisen, dass der Exoplanet HD 209458b tatsächlich Materie verliert, welche sich anschließend „hinter“ dem Planeten ansammelt und von dort ausgehend wie ein Kometenschweif in den umgebenden Raum erstreckt.

„Seit 2003 haben Wissenschaftler vermutet, dass sich aus dem Material, welches dem Planeten verlorengeht, ein Schweif bilden könnte. Und sie haben dabei sogar berechnet, wie dieser Schweif aussehen muss“, so Jeffrey Linsky. „Wir sind der Meinung, dass wir mit unseren Beobachtungsergebnissen die bisher besten Beweise liefern konnten, welche diese Theorie bestätigen.“ Der Vorteil der durch das COS-Instrument durchgeführten Messungen besteht dabei darin, das mit diesem Spektrographen auch Untersuchungen im ultravioletten Bereich des Lichtes möglich sind. Durch diese UV-Daten gelang dann auch der Nachweis des von den Wissenschaftlern beschriebenen „Kometen“-Schweifs.

Detaillierte Auswertungen der Lichtkurven einzelner Planetentransits im September und Oktober 2009 erbrachten dabei den Nachweis, dass der Exoplanet von einer ausgedehnten Atmosphäre umgeben ist. Bei einem solchen Transitereignis reduziert diese Atmosphäre die Helligkeit des Sterns im ultravioletten Licht um bis zu acht Prozent, während der Lichtabfall im Bereich des sichtbaren Lichtes zum gleichen Zeitpunkt lediglich etwa 1,5 Prozent beträgt.

COS konnte bei diesen Analysen zudem die Elemente Kohlenstoff und Silizium nachweisen. Dies wird als ein Hinweis darauf interpretiert, dass der Zentralstern seinen Planeten auf dessen engen Orbitbahn derart stark aufheizt, dass sogar relativ schwere Elemente aus dessen tieferen Atmosphärenschichten durch Konvektionsströmungen in die oberen Schichten der Atmosphäre befördert werden und schließlich vom Planeten entweichen. Möglich wurden diese Messergebnisse durch die Kombination der sehr hohen Empfindlichkeit des COS-Spektrometers und dessen guter Spektralauflösung.

Aus den gewonnenen Daten lässt sich zusätzlich die Geschwindigkeit und Richtung ableiten, mit der sich das von dem Planeten ausströmende Material bewegt. „Wir haben festgestellt, dass das Gas mit hoher Geschwindigkeit entweicht. Ein großer Teil davon bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von rund zehn Kilometern pro Sekunde auf uns zu“, so Linsky. „Die beste Interpretation hierfür ist, dass wir die Geschwindigkeit von Material in einem kometenartigen Schweif gemessen haben.“

Das Gas wird dabei vom Sternwind, welcher von Zentralstern HD 209458 ausgeht, aufgenommen und dabei zu einem langen Gasschweif auseinandergezogen, welcher sich von dem Exoplaneten wegbewegt. Im speziellen Falle eines Transits, der Exoplanet befindet sich dabei genau zwischen seinem Zentralstern und unserem Sonnensystem, bewegt sich der Gasschweif dabei genau in Richtung auf die Erde zu. Dabei dürfte sich für einen nahen Betrachter ein Anblick ergeben, wie er uns aus unserem Sonnensystem von einem Kometen vertraut ist. Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse wurden am 10. Juli 2010 in der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal“ veröffentlicht.

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: Spitzer Science Center.

„Das ist eine erstaunliche Überraschung“, sagte Spitzer-Projektwissenschaftler Dr. Michael Werner vom JPL der NASA in Pasadena. „Als wir Spitzer entwarfen, hätten wir nie gedacht, dass es zu einem so dramatischen Fortschritt in der Charakterisierung von Exoplaneten fähig wäre.“

Spitzer, neben Hubble das schärfste Auge der Menschheit im Orbit und auf Infrarotstrahlung spezialisiert, gewann Spektraldaten für zwei verschiedene extrasolare Planeten. Die beiden Gasriesen mit den kryptischen Kürzeln „HD 209458b“ und „HD 189733b“ ähneln Jupiter, umlaufen ihre Sonnen allerdings viel enger, enger noch als Merkur unsere Sonne umläuft. Folglich herrschen auf ihnen sehr hohe Temperaturen, weswegen sie auch als „Hot Jupiters“ bezeichnet werden.

Die ermittelten Spektren zeigen, dass die beiden Planeten trockener und wolkiger sind als vorausgesagt. Theoretiker hatten angenommen, dass „Hot Jupiters“ große Mengen von Wasser in ihrer Atmosphäre haben müssten, aber erstaunlicherweise wurde keines gefunden. Eine erste Erklärung lautet dahin gehend, dass Wasser vorhanden sein müsste, aber von einer dicken Schicht hoher Wolken verdeckt sein könnte, in denen kein Wasser vorkommt. Statt dessen könnten diese Wolken Staub enthalten. Einer der Planeten, HD 209458b, zeigt Hinweise auf sehr feine Sandkörner, auch Silikate genannt, in seiner Atmosphäre. Demnach müsste der Himmel dieses Planeten voller hoch fliegender Staubwolken sein – ein erstaunliches Phänomen, das auf keinem Planeten unseres Sonnensystems je beobachtet wurde.

„Die Köpfe der Theoretiker begannen zu rauchen, als sie die Daten sahen“, sagte Dr. Jeremy Richardson vom Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA. „Es ist nahezu unmöglich, dass Wasserdampf auf diesen Planeten nicht vorkommt. Also muss er verdeckt werden, und zwar wahrscheinlich von dieser Staubwolkenschicht, die wir in unserem Spektrum entdeckt haben.“ Richardson ist Hauptautor eines Artikels in der Februarausgabe von „Nature“, in dem ein Spektrum von HD 209458b beschrieben wird.

Außer Richardsons Team nutzten noch zwei weitere Gruppen von Astronomen Spitzer, um Spektren von Exoplaneten zu gewinnen. Ein Team um Dr. Carl Grillmair vom Spitzer Science Center an der Caltech-Universität beobachtete HD 189733b, während das Team von Dr. Mark R. Swain am JPL sich mit dem selben Planeten wie Richardson beschäftigte. Grillmairs Resultate werden in den „Astrophysial Journal Letters“ veröffentlicht und Swains Ergebnisse wurden ebenfalls an diese Publikation gesandt.
Ein Spektrum entsteht, wenn ein Instrument, das man als Spektrograph bezeichnet, Licht von einem Objekt in seine verschiedenen Wellenlängen aufspaltet, ähnlich wie ein Prisma das Sonnenlicht als Regenbogen erscheinen lässt. Das resultierende Lichtmuster, die Spektrallinien, enthüllen die „Fingerabdrücke“ der Chemikalien, aus denen das Objekt besteht.

Bis heute waren die einzigen Planeten, von denen Spektren gewonnen werden konnten, jene altbekannten Planeten unseres eigenen Sonnensystems. Die Planeten der neuen Spitzer-Studien umkreisen hingegen Sterne in solchen Entfernungen, dass sie mit dem bloßen Auge nicht mehr gesehen werden können. HD 189733b ist etwa 63 Lichtjahre (600 Billionen Kilometer) weit entfernt in der Konstellation Vulpecula, und HD 209458b gar etwa 150 Lichtjahre (1.500 Billionen Kilometer) in der Konstellation Pegasus. Das bedeutet, dass beide Planeten mindestens eine Million mal weiter weg sind als Jupiter.
Das Spitzer-Team konnte die Spektren aus dem kläglichen Licht der beiden Planeten nur herauskitzeln, indem es eine Technik namens „sekundäre Eklipse“ anwandte. Diese Methode funktioniert nur mit transitierenden Exoplaneten, deren Rotationsachse um ihre Sonne senkrecht zur Achse Erde-Exoplanet steht. Die Bahn eines solchen Planeten um seine Sonne erscheint also aus unserer Sicht als eine Linie, und pro Umlauf wird der Planet einmal von seiner Sonne verdeckt und verschwindet kurzfristig aus der Sicht von Spitzers Spektrographen. Diese kurze Verdeckung oder Eklipse ist entscheidend: Denn wenn man die Differenz zwischen dem Spektrum „Sonne mit Planet“ und dem Spektrum „Sonne ohne Planet“ bestimmen kann, hat man eben das wertvolle Spektrum eines extrasolaren Planeten.

Das ist zwar logisch, aber in der Praxis ist dieser Unterschied extrem klein und erfordert eine messtechnische Meisterleistung. Denn der Planet sendet ja nicht selbst Licht aus, sondern seine Oberfläche oder Atmosphäre reflektiert lediglich das Licht seiner Sonne, und dieses bisschen reflektierte Licht vom Planeten wird vom Licht des Sterns selbst auch noch millionenfach überstrahlt. Dennoch ist es möglich: 2005 nutzte Spitzer diese Methode erstmals, um das kaum wahrnehmbare Licht von einem Exoplaneten direkt nachzuweisen. Und diesen winzigen Unterschied jetzt nicht nur gemessen, sondern auch noch in Form eines auswertbaren Spektrums quantifizierbar gemacht zu haben, das genau ist der neuerliche Durchbruch des Spitzer-Teams.
Dass ausgerechnet das Infrarotteleskop Spitzer in der Exoplanetenforschung so reüssiert, ist allerdings kein Zufall: Planeten sind im Infraroten heller als in den sichtbaren Wellenlängen, daher ist ihr Licht „leichter“ vom überwältigenden Gleißen ihres Sterns zu unterscheiden.

„Als wir damit begannen, derartige Beobachtungen vorzuschlagen, dachten viele Leute, dass es nicht funktionieren würde“, sagte Grillmair. „Aber Spitzer hat sich als hervorragend konstruiert erwiesen und war der Aufgabe mehr als gewachsen.“

Frühere Beobachtungen von HD 209458b mit dem Hubble-Teleskop ergaben Hinweise auf einzelne Elemente wie etwa Natrium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff, die den Planeten in einer größeren Höhe umkreisen dürften als in den Spitzer-Studien und damit in einem Bereich, wo Moleküle wie Wasser auseinander brechen würden. Dazu maß Hubble Lichtänderungen des Sterns, wenn der Planet vor seinem Stern her passierte (primäre Eklipse) und das Licht seine Atmosphäre durchstrahlte. Schon diese Beobachtungen zeigten weniger Natrium als angenommen, was ebenfalls die These stützt, dass der Planet in hohe Staubwolken eingehüllt ist.

Die Forscher hoffen, Spitzer für weitere Studien von transitierenden Exoplaneten einsetzen zu können. Von den bis jetzt bekannten etwa 200 Exoplaneten transitieren 14. Nach HD 209458b und HD 189733b sind mindestens drei weitere Kandidaten für Spektraluntersuchungen bekannt. Außerdem werden weitere Spektralstudien von HD 209458b und HD 189733b weiter führende Informationen über die Atmosphären dieser Planeten liefern. Für die Zukunft erhoffen sich Astronomen auch Spektren von kleineren, felsigen Exoplaneten. Das würde ihnen erlauben, nach den anzunehmenden Schlüsselmolekülen für die Existenz von Leben zu suchen, wie etwa Wasser, Sauerstoff und vielleicht sogar Chlorophyll, dem wichtigsten Bestandteil der Pflanzen.

„Mit diesen neuen Beobachtungen können wir nun beginnen, die Werkzeuge für die Suche nach Leben zu entwickeln und zu verfeinern, die wir eines Tages brauchen werden“, sagte Swain. „Das hier ist so etwas wie eine Generalprobe.“

Der Beitrag Spitzer: Erste Molekülspektren von Exoplaneten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Maria Steinrück. Quelle: University of Washington. Vertont von Karl Urban.

Daten über extrasolare Planeten zu bekommen, ist nicht so leicht. Die meisten von ihnen umkreisen Sterne, die 100 Lichtjahre oder weiter von unserer Erde weg sind. Außerdem werden sie von ihren Sternen überstrahlt. Dennoch ist es mit dem Spitzer-Weltraumteleskop bei einigen Exoplaneten gelungen, die Oberflächentemperaturen sowie die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht zu messen.

Weil die meisten bekannten Exoplaneten, Gasriesen ähnlich dem Jupiter, aber viel heißer, ihre Sterne in extrem geringer Entfernung umkreisen, wirken auf sie starke Gezeitenkräfte. Dadurch wird ihre eigene Rotation rasch abgebremst, bis immer die gleiche Seite zum Stern zeigt, ähnlich wie der Mond der Erde immer die gleiche Seite zuwendet.Man geht davon aus, dass dies auch auf die nun untersuchten Planeten zutrifft. Bei der Messung der Temperaturunterschiede erwartete man daher einen starken Unterschied zwischen der Tag- und Nachtseite. Zuvor hatte sich diese Vermutung bei dem Planeten Upsilon Andromedae b bestätigt- man hatte eine Differenz von 1400 Grad Celsius festgestellt.

Bei den drei betroffenen Exoplaneten stieß man jedoch auf eine Überraschung: Es ließ sich kaum ein Unterschied zwischen Tag und Nacht feststellen. Auf allen drei Planeten scheint eine konstante Temperatur von ungefähr 925 Grad Celsius zu herrschen.

Vermutlich sorgen auf diesen Planeten extreme Winde für einen Temperaturausgleich. Diese umkreisen sie ständig mit Überschallgeschwindigkeit- möglicherweise erreichen diese Stürme Spitzengeschwindigkeiten von fast 15.000 Kilometern pro Stunde! Dagegen sind Stürme auf unserer Erde nicht einmal ein kleiner Lufthauch.

Zu den untersuchten Planeten zählen 51 Pegasi b, HD179949b und HD209458b.
51 Pegasi b ist der Exoplanet, der 1995 als erster Planet, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, entdeckt wurde. Er ist etwa 50 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt und umkreist seinen Stern einmal innerhalb von 4 Tagen.HD179949b und HD209458b ähneln ihm in ihren Dimensionen, sind jedoch mehr als doppelt so weit von uns entfernt.

Das Team, das diese drei Exoplaneten untersuchte, wird von Eric Agol von der University of Washington angeführt. Ihn unterstützten Nicolas Cowan von derselben Universität sowie David Charbonneau vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Der Beitrag Stürmische Exoplaneten? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ingo Froeschmann. Quelle: ESO.

Der Gasriese umkreist den Roten Zwergstern HD 189733, der sich in einer Entfernung von 63 Lichtjahren zu uns befindet. Die Temperatur des Planeten liegt bei gemütlichen 844 Grad Celsius. Die Bezeichnung „very hot Jupiter“ ist demnach nicht unpassend.
Der Planet 189733b ist der nächste, der bisher außerhalb unseres eigenen Sonnensystems gefunden wurde. Er ist so heiß, weil sein Abstand zum Zentralgestirn nur drei Prozent einer Astronomischen Einheit (Abstand Sonne-Erde) beträgt. Der Planet umkreist seinen Stern alle 2,2 Tage.

Forscher unter der Leitung von Drake Deming vom Goddard Space Flight Center der NASA verwendeten Spitzers wärmeempfindliche Infrarotinstrumente, um den Stern zunächst mit dem Planeten an seiner Seite abzubilden und dann noch mal ohne den Planeten, als dieser sich von uns aus gesehen hinter dem Stern befand. Durch Subtraktion der Bilder voneinander konnte die Temperatur des Planeten bestimmt werden.

Heiß und heißer
Die direkte Temperaturmessung bestätigt die Schätzung des Teams, welches den Planeten im letzten Jahr entdeckt hatte. Francois Bouchy und sein Team vom Marseille Astrophysics Laboratory schätzten die Temperatur des Planeten aufgrund seiner Nähe zum Stern und dessen Eigentemperatur auf mehrere Hundert Grad Celsius.

Deming berichtet, dass die von ihm verwendete Technik bei einem starken Helligkeitsunterschied zwischen Stern und Planet funktioniert. Im Fall von HD 189733b ist der Stern besonders hell.

Die Methode funktionierte auch bei einem anderen Planeten, HD 209458b. In diesem Fall ist der Stern heißer und größer, der Planet befindet sich aber auf einer weiter entfernten Umlaufbahn. Auch hier handelt es sich um einen „hot Jupiter“.
Windmuster
Deming glaubt, dass seine Beobachtungstechnik auch eine Temperaturkarte des Planeten HD 189733b liefern kann. Da der Planet dem Stern vermutlich immer die gleiche Seite zuwendet, sollte sich direkt gegenüber dem Stern das heißeste Gebiet des Planeten befinden. Mit Hilfe einer Temperaturverteilungskarte des Planeten könnten im Prinzip auch die auf dem Planeten herrschenden Winde berechnet werden.

Möglicherweise ist das Weltraumteleskop Spitzer nicht in der Lage, eine Temperaturverteilung zu messen. Möglicherweise müssen er und sein Team auf den für das Jahr 2013 geplanten Start des James Webb Space Telescope warten.

Weitere Vorschläge zur Beobachtung von HD 189733b sind bereits eingereicht worden. So soll beispielsweise nach Methan gesucht werden.

Der Beitrag Temperaturmessung eines Exoplaneten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von ms. Quelle: NASA.

28. November 2001 – Der Planet mit ca. 70% der Jupitermasse ist ein Gasriese und umkreist den unserer Sonne sehr ähnlichen Stern HD 209458, der etwa 150 Lichtjahre von uns entfernt ist. Er wurde bereits 1999 entdeckt, da seine Schwerkraft den Stern, um den er kreist, zu einem leichten Oszillieren bringt. Als der Planet nun während seines Umlaufs von der Erde aus gesehen seinen Heimatstern bedeckte, konnte zum ersten Mal das Licht des Sterns durch die Planetenatmosphäre gefiltert beobachtet werden. Astronomen verschiedener Forschungseinrichtungen in den USA haben hierzu das Hubble-Spektrometer „STIS“ genutzt.
Während der Planet seinen Heimatstern HD 209458 passiert verursacht er eine sehr geringe Abschwächung der Leuchtkraft des Sterns. Die Tatsache, daß er sich während seines Umlaufs in die Sichtlinie Erde-HD 209458 schiebt, macht ihn einzigartig unter den bisher etwa 80 entdeckten extrasolaren Planeten. Beobachtungen von Hubble und anderen erdgebundenen Teleskopen während der Transitphase haben bestätigt, daß der Planet ein Gasriese wie Jupiter oder Saturn ist. Da er von der Erde aus gesehen alle 3,5 Tage seine Sonne passiert, ist er ein idealer Beobachtungskandidat. Gleichzeitig läßt sich aus dieser extrem kurzen Umlaufdauer schließen, daß der Planet in einer Entfernung von nur ca. 6,5 Millionen Kilometer um den Stern kreist und seine Atmosphäre eine Temperatur von etwa 1.100° C aufweisen muß.
Bei der Analyse des Sternenlichts, das auf seinem Weg zur Erde die Planetenatmosphäre passiert hat, haben die Astronomen Natrium entdecken können, dies allerdings in geringerer Konzentration als vorhergesagt. Eine Interpretation hierfür lautet, daß möglicherweise Wolken in den oberen Schichten der Atmosphäre des fremden Planeten einen Teil des Sternenlichtes blockiert haben könnten. Insgesamt vier Durchläufe vor seinem Heimatstern haben die Astronomen mit Hilfe von Hubble beobachtet und dabei den charakteristischen „Fingerabdruck“ von Natrium entdeckt. Obwohl auch in den äußeren Schichten des Sterns Natrium vorkommt, wurde mit Hilfe von STIS präzise der Einfluß des zusätzlichen Natriums in der Planetenatmosphäre gemessen.
Auf jeden Fall hat diese Beobachtungstechnik eine neue Phase in der Erforschung der sogenannten Exoplaneten eröffnet. Solche Beobachtungen könnten eines Tages den ersten direkten Nachweis von Leben außerhalb der Erde erbringen, indem durch sie unübliche Abwesenheiten von atmosphärischen Gasen gemessen werden, die durch das Vorhandensein lebender Organismen verursacht werden. Für die nähere Zukunft sind erst einmal weitere Beobachtungen von HD 209458 geplant, mit denen Methan, Wasserdampf und andere chemische Elemente in der Planetenatmosphäre entdeckt werden sollen. Sollten in den nächsten Jahren weitere extrasolare Planeten vergleichbarer Größenordnung gefunden werden, die ebenfalls vor ihrer Sonne entlangziehen, so erwartet das Beobachtungsteam, chemische Differenzen in den Atmosphären dieser Planeten charakterisieren zu können.

Der Beitrag Erster extrasolarer Planet mit eigener Atmosphäre entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.