Quelle: DLR.

Die Welt der Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne umkreisen – wird immer vielfältiger und facettenreicher. Die Einteilung der Planeten unseres Sonnensystems in Gesteins- und Gasplaneten kann den unterschiedlichen Eigenschaften, die man bei den über 4000 in anderen Sternsystemen entdeckten Planeten gefunden hat, nicht gerecht werden. Die schiere Zahl an Neuentdeckungen ist aber nicht entscheidend. Vielmehr geht es um die genaue Charakterisierung durch Parameter wie Radius und Masse sowie um den inneren Aufbau des Planetenkörpers. Erst dadurch kann man etwas über die Entstehung und Entwicklung von Planeten erfahren. Die Teleskopanlage NGTS in den chilenischen Anden ermöglichte jüngst weitere wichtige Entdeckungen.

Über die Entdeckung dreier interessanter außergewöhnlicher Exoplaneten mit Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde zum Teil schon in den vergangenen Wochen in Fachzeitschriften berichtet. Ganz aktuell kommt heute eine Veröffentlichung in Nature Astronomy über einen superschnellen und superheißen Planeten, LTT 9779b, dazu.

Bei all diesen Entdeckungen ist das DLR beteiligt, insbesondere über die Nutzung der Teleskopanlage NGTS (Next Generation Transit Survey), einer Teleskopanlage in Chile am Paranal-Observatorium, die seit 2015 in Betrieb ist. Acht der zwölf Kameras der Teleskopanlage steuerte das DLR bei. So hat NGTS bereits eine Reihe von Planeten entdeckt und zur Charakterisierung bereits bekannter Planeten beigetragen.

NGTS-11b – so groß wie Saturn und kühler als viele andere Exoplaneten
NGTS-11b ist ein Planet von der Größe des Saturn, der seinen Stern aber nur in rund 35 Tagen umkreist. Die Entdeckungsgeschichte beginnt mit einem einzelnen Transit, einer Passage des Planeten vor seinem Stern, der vom Weltraumraumteleskop TESS der NASA 2018 aufgenommen wurde. Da TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) aber die meisten Beobachtungssegmente nicht länger als 27 Tage untersucht, blieb es bei diesem einzelnen Transit. Ohne die systematische Suche über 79 Nächte mit einem der NGTS-Teleskope wäre der Planet ‚verloren‘ gegangen. NGTS konnte aber einen zweiten Transit aufzeichnen, 390 Tage nach der Transitbeobachtung durch TESS. Aber auch damit konnte man die Umlaufzeit noch nicht genau bestimmen, jedoch immerhin deutlich einschränken: es konnten nicht mehr als 390 Tage sein, oder ganzzahlige Bruchteile davon.

Radialgeschwindigkeitsbeobachtungen des Planetensystems mit zwei verschiedenen Spektrographen an zwei verschiedenen Teleskopen lieferten weitere Informationen. Diese Entdeckung zeigt deutlich, wie wichtig hochpräzise photometrische Messungen vom Boden aus sind. Ohne die NGTS-Beobachtung hätte man den zweiten Transit dieses Planeten nicht entdecken und damit auch nicht seine Umlaufzeit bestimmen können. Aus der Umlaufzeit leitet sich der Abstand zum Zentralstern ab und damit auch seine Oberflächentemperatur. Mit 160 Grad Celsius ist es auf diesem Planeten zwar immer noch wärmer als auf der Erde, aber kühler als auf Venus oder Merkur und der Mehrzahl der entdeckten Planeten, viele von ihnen mit Temperaturen von über 1000 Grad Celsius. Diese Beobachtungen zeigen deutlich das Potential von NGTS: Mit der Multiteleskopanlage ist es möglich, über lange Beobachtungszeiträume nach schwachen Signalen (kleinen „Transitdips“) zu suchen, wie sie neptungroße Planeten um einen sonnenähnlichen Stern verursachen.

TOI-849b – Bewohner der Neptunwüste
TOI-849b ist der Planetenkern eines Gasriesen. Er ist ein ‚Bewohner der Neptunwüste‘, jener Region im Masse-Perioden-Diagramm, in dem bisher nur sehr wenige Planeten entdeckt wurden – NGTS-4b ist einer der wenigen. Generell scheint es dort an Planeten mit kurzen Umlaufzeiten und Massen wie jener des Neptun zu mangeln, also etwa dem 15- bis 20-fachen der Erdmasse. Mit einer Umlaufzeit von nur 18 Stunden hat TOI-849b einen Radius wie Neptun, ist aber doppelt oder sogar dreimal so schwer und damit ein recht dichtes Objekt. Es muss eine sehr ungewöhnliche Entwicklung hinter sich haben. Es könnte einmal ein Gasriese gewesen sein, der seine Atmosphäre durch äußere Einwirkung verloren hat. Oder es ist ein Gasriese, der es aber nicht geschafft hat, im Laufe seiner Entwicklung eine atmosphärische Hülle anzusammeln. Dieser Planet wurde zuerst von TESS entdeckt und als Einwohner der ‚Neptun-Wüste‘ identifiziert. Nachbeobachtungen von vier Transitereignissen mit den NGTS-Teleskopen bestätigten die Entdeckung und verfeinerten die Werte für Radius und Umlaufzeit.

LTT 9779b – superschnell und superheiß
LTT 9779b ist ein weiterer Einwohner der ‚Neptun-Wüste‘: superheiß und superschnell, ganz ähnlich zu TOI-849. Er wurde ebenso zunächst von TESS entdeckt und dann von bodengebundenen Teleskopen wie NGTS nachbeobachtet. Wie TOI-849b braucht auch dieser Planet für einen Umlauf nur etwas mehr als 18 Stunden und umkreist seinen Stern daher so dicht, dass er wahrscheinlich eine Temperatur von über 1700 Grad Celsius hat. Bei solchen Temperaturen sind alle Moleküle zerfallen und alle Eisenatome ionisiert. Auch hier stellt sich die Frage, wie sich dieser Planet entwickelt hat und wie er seine Atmosphäre unter der starken Einstrahlung halten konnte.

Bei den beiden letztgenannten Planetenentdeckungen wurde der neuentwickelte Multi-Teleskop-Modus verwendet. Dabei beobachten alle Teleskope der NGTS-Anlage das gleiche Objekt. Das verbesserte Verhältnis von beobachtetem Signal zum Hintergrundrauschen kann Transitsignale entdecken, bei denen die Helligkeit des Sterns durch die vorbeiziehenden Planeten um ein Tausendstel abnimmt.

Damit können mit NGTS-Beobachtungen Bereiche mit Planetenentdeckungen gefüllt werden, die von weltraumgestützten Teleskopen so nicht alleine abgedeckt werden können und ergänzt damit vergangene, gegenwärtige und zukünftige Weltraummissionen wie Kepler, TESS oder PLATO.

Über NGTS
Die Teleskopanlage des Next-Generation Transit Survey (NGTS) wurde von einem Konsortium britischer, schweizerischer und deutscher Institutionen errichtet und befindet sich am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der Atacamawüste im Norden Chiles. Dort kann sie sowohl von den hervorragenden Beobachtungsbedingungen vor Ort als auch von technischer Unterstützung seitens der vorhandenen Einrichtungen profitieren. Sie ist auf die großflächige Durchmusterung des Himmels ausgelegt und wurde maßgeblich vom DLR finanziert. Acht der zwölf Kameras der Teleskopanlage stammen vom DLR. Wissenschaftler des Instituts für Planetenforschung werten im internationalen Team die Daten aus. NGTS ist so konzipiert, dass es vollkommen automatisiert kontinuierlich auf der Suche nach Exoplanetentransits die Helligkeit von mehreren 100.000, vergleichsweise hellen Sternen am Südhimmel vermisst.

Publikationen:
NGTS-11 b / TOI-1847 b: A transiting warm Saturn recovered from a TESS single-transit event
S. Gill et al, Astrophysical Journal Letters, Vol 898, 20. July 2020, DOI: 10.3847/2041-8213/ab9eb9

A remnant planetary core in the hot-Neptune desert
D. A. Armstrong et al, Nature, Vol 583, 2 July 2020, DOI: 10.10387s41586-020-2421-7

An ultahot Neptune in the Neptune Desert
J. S. Jenkins et al, Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-020-1142-z

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• Exoplaneten

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO, DLR.

Als Exoplaneten werden in der Astronomie Planeten bezeichnet, welche nicht dem Planetensystem der Sonne angehören, sondern vielmehr fremde Sterne umkreisen. Mittlerweile gelang den Astronomen der Nachweis von 1.876 Exoplaneten. Der Großteil dieser Planeten – 1.179 an der Zahl – wurde mittels der „Transitmethode“ entdeckt. Sobald ein Exoplanet – von der Erde aus betrachtet – direkt vor seinem Mutterstern vorbeizieht, nimmt die Helligkeit des beobachteten Sterns um einen winzigen Bruchteil ab, da der vorbeiziehende Planet einen Teil des von seinem Zentralgestirn ausgehenden Lichts abschirmt. Durch die wiederholten Beobachtungen dieser periodisch auftretenden Helligkeitsveränderungen kann der Durchmesser und die Dauer der Umlaufzeit des verursachenden Planeten bestimmt werden.

Das „Next-Generation Transit Survey“-Projekt

Bei ihrer Suche nach weiteren ‚Transitplaneten‘ können die Astronomen jetzt auf ein neues Teleskop-Projekt zurückgreifen, welches erst kürzlich seine Arbeit aufgenommen hat.

Das „Next-Generation Transit Survey“ (kurz „NGTS“, auf Deutsch in etwa „Transitsuchprogramm der nächsten Generation“) – so der Name dieses Projektes – setzt sich aus zwölf mit hochempfindlichen Kameras ausgestatteten Einzelteleskopen zusammen, welche über Spiegeldurchmesser von jeweils 20 Zentimetern verfügen. Die neue Anlage wurde von einem Konsortium – bestehend aus der University of Warwick, der Queen’s University of Belfast, der University of Leicester, der University of Cambridge (alle aus Großbritannien), der Universität Genf (Schweiz) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – errichtet und befindet sich in der unmittelbaren Nähe des in der nordchilenischen Atacama-Wüste von der Europäischen Südsternwarte (ESO) betriebenen Paranal-Observatoriums. Deshalb kann das NGTS sowohl von den vor Ort gegebenen hervorragenden Beobachtungsbedingungen als auch von der Infrastruktur und der technischer Unterstützung seitens der bereits zuvor vorhandenen Einrichtungen profitieren.

„Wir waren auf der Suche nach einem Standort mit vielen klaren Nächten und trockener Luft bei guter Durchsicht, damit unsere Messungen möglichst oft besonders präzise ausfallen. Der Paranal war dabei mit großem Abstand unsere erste Wahl“, so Don Pollacco von der University of Warwick, einer der Leiter des NGTS-Projekts.

Hochpräzise Helligkeitsmessungen

Das für großflächige Himmelsdurchmusterungen des südlichen Sternhimmels ausgelegte NGTS ist so konzipiert, dass es auf seiner vollkommen automatisierten Suche nach Transits von Exoplaneten kontinuierlich das Licht von mehreren 100.000 vergleichsweise hellen Sternen aufzeichnen wird. Dabei sollen die Teleskope bei den zu beobachtenden Sternen auftretende Helligkeitsschwankungen von lediglich 0,1 Prozent registrieren können.

„Bisher konnten bodengebundene Beobachtungsprogramme solche winzigen Transitsignale nicht mit dieser Genauigkeit nachweisen“, so Prof. Heike Rauer, die Leiterin der Abteilung „Extrasolare Planeten und Atmosphären“ am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. „Mit den neuen Teleskopen wird dies nun erstmals möglich sein.“

Die Realisierung einer so hohen Präzision bei Helligkeitsmessungen über ein großes Gesichtsfeld hinweg stellt für die Astronomen eine aus technischer Sicht äußerst anspruchsvolle Aufgabe dar. Die für das NGTS notwendigen Schlüsseltechnologien konnten in der Vergangenheit allerdings bereits erfolgreich mit einem kleineren Prototypen demonstriert werden, welcher in den Jahren 2009 und 2010 auf der Kanareninsel La Palma in Betrieb war. Das NGTS baut außerdem auf dem Erfolg des SuperWASP-Projeks auf, welches mit einer vergleichbaren Beobachtungstechnik auf den Nachweis von großen Gasplaneten spezialisiert ist.

Das Ziel des Suchprogramms

Die Teleskope des NGTS sollen dagegen insbesondere Exoplaneten entdecken, welche über den doppelten bis hin zum achtfachen Durchmesser unseres Heimatplaneten verfügen und die trotzdem einen so großen Helligkeitsunterschied verursachen, dass es möglich wird, auch deren Masse möglichst genau zu bestimmen. Aus diesen Werten ergibt sich die Dichte der Planeten, woraus sich wiederum Hinweise auf deren Zusammensetzung ableiten lassen.

Durch spektroskopische Untersuchungen wäre es dann bei einigen dieser Planeten eventuell auch möglich, deren Atmosphären näher zu untersuchen: Während ein Transitplanet vor seinem Mutterstern vorbeiläuft, durchleuchtet das Sternlicht quasi die Atmosphäre am Rand der Planetenscheibe, welche dann ihrerseits minimale, aber doch nachweisbare Spuren im Sternlicht hinterlässt. Bislang sind den Astronomen nur sehr wenige Planeten bekannt, bei denen derartige Messungen möglich sind. Mit dem NGTS – so die Erwartungen der Wissenschaftler – sollte sich deren Zahl in den kommenden Jahren deutlich erhöhen.

Für diese detaillierten ‚Nachfolgeuntersuchungen‘ bei den noch zu entdeckenden Exoplaneten sollen dann aber nicht die verhältnismäßig kleinen NGTS-Teleskope, sondern vielmehr größere und entsprechend leistungsfähigere Teleskope – darunter auch das ebenfalls am Paranal-Observatorium befindliche Very Large Telescope (kurz „VLT“) der ESO – genutzt werden.

Peter Wheatley, ein weiterer NGTS-Projekteiter von der University of Warwick, äußert sich zu diesem Projekt folgendermaßen: „Wir freuen uns sehr, dass wir nun mit unserer Suche nach kleinen Planeten um sonnennahe Sterne beginnen können. Die NGTS-Entdeckungen und die Nachfolgebeobachtungen mit bodengebundenen und weltraumbasierten Teleskopen werden wichtige Schritte auf dem Weg zur Untersuchung der Atmosphären und der Zusammensetzung extrasolarer Planeten von der Größe der Erde sein.“

Voller Betrieb noch im Jahr 2015

Die ersten der zwölf Teleskope des NTGS haben erst kürzlich ihr „first light“ gesehen und den wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen. Die vollständige Anlage soll noch im Laufe des Jahres 2015 in Betrieb genommen werden. Die für das NGTS-Projekt erforderliche automatisierte Analyse-Software wurde – in Zusammenarbeit mit den anderen NGTS-Partnern – vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt. Die Exoplanetenforscher aus Berlin-Adlershof verfügen auf dem Gebiet der hochpräzisen astronomischen Photometrie bereits über eine langjährige Erfahrung. Mit dem unter anderem ebenfalls auf die Suche nach Exoplaneten ausgelegten Weltraumteleskop COROT, an dessen Entwicklung und Betrieb das DLR ebenfalls beteiligt war, gelang in den Jahren 2007 bis 2012 die Entdeckung von immerhin 28 Exoplaneten.

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