Quelle: Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP).

Das Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona wurde zur Untersuchung der Atmosphäre auf dem jupiterähnlichen Exoplaneten HD189733b verwendet. Die chemischen Elemente Natrium und Kalium werden schon seit den frühesten theoretischen Vorhersagen vor 20 Jahren vor allem in der Atmosphäre von „heißen Jupitern“ erwartet, einige tausend Kelvin heißen Gasplaneten, die eng um ferne Sterne kreisen. Während Natrium schon früh auch in hochauflösenden Messungen gefunden werden konnte, war dies bei Kalium nicht der Fall, was der Atmosphärenchemie und -physik einige Rätsel aufgab.

Die Elemente können entdeckt werden, wenn man das Lichtspektrums des Heimatsterns analysiert, während der Planet von der Erde aus gesehen vor ihm vorbeizieht. Die unterschiedlichen Elemente hinterlassen im Lichtspektrum spezifische Absorptionssignale, dunkle Linien, die auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre Rückschlüsse ziehen lassen. Wolken in der Atmosphäre der heißen Jupiter können diese Absorptionssignale jedoch stark abschwächen und damit den Nachweis der entsprechenden Elemente erschweren. Selbst für den bisher am besten untersuchten heißen Jupiter HD189733b gab es bisher nur sehr vage und ungenaue Kenntnisse zur Kaliumabsorption in der Atmosphäre. Der 64 Lichtjahre entfernte, in etwa jupitergroße Exoplanet, umkreist seinen Heimatstern – ein Zwergstern mit 0,8 Sonnenmassen – 30 mal näher als die Erde die Sonne und braucht dafür nur 53 Stunden. Erst mit der großen Lichtsammelfläche der zwei 8,4-Meter-Spiegel am LBT und den hohen spektralen Auflösungsmöglichkeiten von PEPSI gelang es nun zum ersten Mal, Kalium in den atmosphärischen Schichten über den Wolken definitiv nachzuweisen. Mit den neuen Messungen können Forscherinnen und Forscher nun die Absorptionssignale von Kalium und Natrium vergleichen und damit mehr über Kondensations- und Ionisationsprozesse in diesen Exoplanetenatmosphären erfahren.

Die hierfür am LBT angewendete Technik heißt Transmissionsspektroskopie. Dazu ist es erforderlich, dass der Exoplanet vor seinem Heimatstern vorbeizieht. „Wir haben eine Zeitreihe von Lichtspektren während des Vorbeizugs des Planeten vor seinem Stern aufgenommen und die Absorptionstiefe verglichen“, erklärt der Hauptautor der Studie, Engin Keles, AIP-Doktorand in der Gruppe Sternphysik und Exoplaneten. „Während des Transits entdeckten wir dann die Kaliumsignatur, die vor und nach dem Transit wie erwartet verschwand, was darauf hindeutet, dass die planetarische Atmosphäre die Absorption verursacht.“ Untersuchungen anderer Teams zielten bereits darauf ab, Kalium auf demselben Exoplaneten zu entdecken, jedoch wurde entweder nichts gefunden oder das Gefundene war zu schwach, um statistisch bedeutsam zu sein.

Bisher gab es keinen signifikanten Nachweis von Kalium in hochauflösenden Beobachtungen von Exoplaneten. „Unsere Beobachtungen haben den Durchbruch geschafft“, betont Projekt-Mitverantwortlicher Dr. Matthias Mallonn, dem PEPSI-Projektleiter Prof. Klaus Strassmeier zustimmt: „PEPSI ist für diese Aufgabe gut geeignet, da es auf Grund seiner hohen spektralen Auflösung mehr Photonen pro Pixel aus sehr schmalen Spektrallinien sammeln kann als jede andere Teleskop-Spektrograph-Kombination.“

„Sowohl als Spektrograph als auch als Polarimeter hat PEPSI bereits bedeutende Beiträge zur Sternphysik geleistet“, ergänzt Christian Veillet, Direktor des LBT-Observatoriums. „Dieser starke Nachweis von Kalium in der Atmosphäre eines Exoplaneten etabliert PEPSI als erstaunliches Werkzeug zur Charakterisierung von Exoplaneten und als einzigartige Bereicherung für die Mitglieder der LBT-Gemeinschaft.“ Das Team, bestehend aus Kolleginnen und Kollegen aus Dänemark, den Niederlanden, der Schweiz, Italien und den USA, präsentiert seine Ergebnisse nun in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Veröffentlichung:

• Engin Keles, Matthias Mallonn, Carolina von Essen, Thorsten A. Carroll, Xanthippi Alexoudi, Lorenzo Pino, Ilya Ilyin, Katja Poppenhäger, Daniel Kitzmann, Valerio Nascimbeni, Jake D. Turner, Klaus G. Strassmeier (2019), MNRAS The potassium absorption on HD189733b and HD209458b

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Exoplaneten

Der Beitrag Kalium in Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: Spiegel online, welt.de.

Die Existenz von Exoplaneten ist mittlerweile nichts Besonderes mehr. Daher gehen die Astronomen einen Schritt weiter und versuchen, die Atmosphären dieser Himmelkörper auf ihre Beschaffenheit hin zu untersuchen. Dabei hat nun ein Team unter der Leitung der britischen Astronomin Jayne Birkby von der Universität Leiden die Existenz von Wasser in der Atmosphäre eines Exoplaneten von der Erde aus nachgewiesen.

Bei dem Himmelskörper handelt es sich um den vor acht Jahren durch den Satelliten Hipparcos nachgewiesenen Planeten HD 189733b, einen sehr nah an seinem Heimatstern kreisenden jupiterähnlichen Planeten mit einer Oberflächentemperatur von wahrscheinlich mehr als tausend Grad Celsius. Sein Stern HD 189733 ist etwa 63 Lichtjahre von der Erde entfernt, also eigentlich nur einen Katzensprung.

Dieses Objekt nahmen die Wissenschaftler mit dem europäischen Very Large Telescope (VLT) in Chile unter die Lupe. Dabei suchten sie Wassermoleküle in der Atmosphäre des Planeten, was schon aus dem Grund nicht leicht war, weil man durch die irdische, ebenfalls mit Wasser durchsetzte Atmosphäre zunächst einmal hindurch sehen und das Spektrum des irdischen von dem des exoplanetaren Wassers sauber trennen musste. Indem dies nun gelungen ist, stehen den Wissenschaftlern neue Fenster zur genaueren Analyse der Atmosphären von Exoplaneten zur Verfügung. Sie sind nicht mehr allein auf Teleskope in den Umlaufbahnen oder auf Raumsonden angewiesen, sondern können von der Erde aus derartige Untersuchungen anstellen.

Die beteiligten Wissenschaftler haben als nächstes das Ziel, die Methode auch auf kleinere Planeten anzuwenden. Doch dazu sind auch bei den erdgebundenen Teleskopen größere Öffnungen notwendig. Daher warten auch Birkby und ihre Kollegen auf den Nachfolger des VLT – das Extremely Large Telescope der Europäer, welches in 9 Jahren seine Arbeit aufnehmen soll.

Diskutieren Sie mit:

• Exoplaneten
• Exoplaneten in habitabler Zone

Der Beitrag Wasser auf Exoplaneten von der Erde aus nachweisbar erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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.