Quelle: Universität Bern 27. Juni 2024.

27. Juni 2024 – Der Unterschied in der Dichte geht gemäss den Forschenden auf unterschiedliche Entstehungsprozesse dieser Exoplaneten zurück, und ist nicht das Ergebnis der Anwendung von unterschiedlichen Messmethoden, was bisher ebenfalls für möglich gehalten wurde.

Exoplaneten gibt es in unserer Galaxie reichlich. Die häufigsten liegen zwischen dem Radius der Erde (ca. 6’400 km) und dem des Neptuns (ca. 25’000 km) und werden als «Sub-Neptune» bezeichnet. Man schätzt, dass 30% bis 50% der sonnenähnlichen Sterne mindestens einen dieser Planeten «beherbergen». Die Berechnung der Dichte dieser Planeten stellt die Wissenschaft vor ein Rätsel. Um die Dichte von Sub-Neptunen zu schätzen, werden zunächst ihre Masse und ihr Radius gemessen. Das Problem besteht darin, dass Planeten, deren Masse mit der TTV-Methode (Transit-Timing-Variation) gemessen wird, weniger dicht sind als Planeten, deren Masse mit der Radialgeschwindigkeitsmethode, der anderen möglichen Messmethode, gemessen wurde.

«Mit der TTV-Methode werden Variationen im Transitzeitpunkt gemessen, das heisst, wie sich der Zeitpunkt ändert, zu dem die Planeten vor ihrem Stern vorbeiziehen. Die Gravitationswechselwirkungen zwischen den Planeten desselben Systems verändern diesen Zeitpunkt leicht», erklärt Jean-Baptiste Delisle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Département d’Astronomie an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Mitautor der Studie. «Bei der Radialgeschwindigkeitsmethode hingegen werden die Geschwindigkeitsänderungen des Sterns gemessen, die durch die Anwesenheit des Planeten um ihn herum verursacht werden», so Delisle weiter.

Verzerrungen in den Daten beseitigen
Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS, der Universität Genf und der Universität Bern hat eine Studie veröffentlicht, die dieses Phänomen erklärt. Es ist nicht auf Auswahl- oder Beobachtungsfehler zurückzuführen, sondern hat physikalische Gründe. «Die meisten der mit der TTV-Methode gemessenen Systeme befinden sich in Resonanz», erklärt Adrien Leleu, Assistenzprofessor am Département d’Astronomie an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Hauptautor der Studie. Zwei Planeten befinden sich dann in Resonanz, wenn das Verhältnis zwischen ihren Umlaufzeiten eine rationale Zahl ist. Wenn zum Beispiel ein Planet zwei Bahnen um seinen Stern zieht, zieht ein anderer Planet genau eine Bahn. Befinden sich mehrere Planeten in Resonanz, spricht man von einer Kette von Laplace-Resonanzen. «Wir haben uns daher gefragt, ob es einen Zusammenhang zwischen der Dichte und der resonanten Bahnkonfiguration eines Planetensystems gibt», erklärt Leleu weiter.

Um den Zusammenhang zwischen Dichte und Resonanz zu ermitteln, mussten die Forschenden zunächst durch eine sorgfältige Auswahl der Planetensysteme für die statistische Analyse jegliche Verzerrung der Daten ausschliessen. Ein grosser, massearmer Planet, der während eines Transits entdeckt wird, benötigt beispielsweise mehr Zeit, um mit der Radialgeschwindigkeitsmethode erfasst zu werden. Dies erhöht das Risiko, dass die Beobachtungen abgebrochen werden, bevor der Planet in den Radialgeschwindigkeitsdaten sichtbar wird und seine Masse geschätzt werden kann.

«Dieser Auswahlprozess würde zu einer Verzerrung zugunsten höherer Massen und Dichten für Planeten führen, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode charakterisiert wurden. Da wir keine Messung ihrer Massen haben, würden die weniger dichten Planeten von unseren Analysen ausgeschlossen», erklärt Adrien Leleu.

Nach dieser Bereinigung konnten die Forschenden mit Hilfe statistischer Tests feststellen, dass die Dichte der Sub-Neptune in den resonanten Systemen geringer ist als in den nicht resonanten Systemen, unabhängig davon, welche Methode zur Bestimmung ihrer Masse verwendet wurde.

Eine Frage der Resonanz
Die Forschenden schlagen mehrere mögliche Erklärungen für diesen Zusammenhang vor, darunter die Prozesse, die bei der Entstehung von Planetensystemen ablaufen. Die Haupthypothese der Studie lautet, dass alle Planetensysteme in den ersten Momenten ihrer Existenz zu einem Resonanzkettenzustand konvergieren, aber nur 5% davon stabil bleiben. Die anderen 95% werden instabil. Die Resonanzkette bricht dann zusammen, was zu einer Reihe von «Katastrophen» führt, wie etwa Kollisionen zwischen Planeten. Die Planeten verschmelzen miteinander und gelangen so zu höheren Dichten, bevor sie sich in nicht-resonanten Bahnen stabilisieren.

Dieser Prozess erzeugt zwei sehr unterschiedliche Populationen von Sub-Neptunen: dichte und weniger dichte. «Die numerischen Modelle zur Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen, die wir in den letzten zwei Jahrzehnten an der Universität Bern entwickelt haben, reproduzieren genau diesen Trend: Planeten in Resonanz sind weniger dicht. Die aktuelle Studie bestätigt zudem, dass die meisten Planetensysteme Schauplatz riesiger Kollisionen waren, die ähnlich heftig oder sogar heftiger waren als diejenige, aus der unser Mond hervorging», folgert Yann Alibert, Professor in der Abteilung für Weltraumforschung und Planetolgoie (WP) und Co-Direktor des Center for Space and Habitability sowie Co-Autor der Studie.

Publikation:
Resonant sub-Neptunes are puffier by Adrien Leleu et al., publiziert in Astronomy & Astrophysics, Juni 2024
DOI: 10.1051/0004-6361/202450587
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/07/aa50587-24/aa50587-24.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2024/07/aa50587-24.pdf

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Bern 9. März 2023.

Am 7. März 2023 bestätigte der Ausschuss für das Wissenschaftsprogramm der ESA die Fortsetzung des Betriebs bis 2026 und eine indikative Verlängerung bis 2029, abhängig von den laufenden Verpflichtungen der nationalen Förderer und Partner. Seit seinem Launch im Dezember 2019 haben die äußerst präzisen Messungen des Satelliten zu mehreren wichtigen Entdeckungen auf dem Gebiet der Exoplanetenforschung beigetragen. Die Verlängerung wird es ermöglichen, diese faszinierenden Welten im Orbit anderer Sterne noch genauer zu untersuchen.

Im Gegensatz zu früheren Satelliten, die neue Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen – durch die gleichzeitige Beobachtung von zehntausenden Sternen aufspüren sollten, wurde CHEOPS für die Beobachtung einzelner Sterne optimiert und zielt auf diejenigen, von denen bereits bekannt ist, dass sie Exoplaneten beherbergen. Ziel von CHEOPS ist es daher, über eine bloße Bestandsaufnahme von Exoplaneten hinauszugehen und einige ihrer Haupteigenschaften, insbesondere ihre Größe, mit äußerster Präzision zu messen. Diese Präzision ermöglicht es den Astronomen, Rückschlüsse auf die Zusammensetzung dieser Planeten zu ziehen: Die Kombination der CHEOPS-Größenmessung mit der zuvor bekannten Planetenmasse ergibt die Dichte. Dichte Planeten wie die Erde bestehen hauptsächlich aus Gestein und Metallen, während Planeten mit geringer Dichte wie der Jupiter hauptsächlich aus Gas bestehen. Da diese Zusammensetzungen das Ergebnis des Planetenentstehungsprozesses sind, öffnet deren Kenntnis ein Fenster zur Geschichte der Planetensysteme und setzt unser eigenes Sonnensystem in einen größeren Kontext.

Die Beobachtung der Eigenschaften von Exoplaneten
„In dieser Hinsicht war die Mission äußerst erfolgreich“, betont Willy Benz, emeritierter Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Leiter des CHEOPS-Konsortiums, „die Präzision von CHEOPS hat alle Erwartungen übertroffen und es uns ermöglicht, die Eigenschaften mehrerer der interessantesten Exoplaneten zu bestimmen.“

So haben die Forschenden des CHEOPS-Teams durch genaue Beobachtung der Helligkeitsveränderungen beim Vorbeiziehen des Planeten WASP-103b an seinem Stern festgestellt, dass der Planet durch die starke Schwerkraft des nahen Sterns in die Form eines Rugbyballs verformt wird. Planeten dieser Art sind so heiß, dass CHEOPS ihr Leuchten auch auf ihrer Umlaufbahn erkennen konnte. „Das mit CHEOPS bei dem Planeten WASP-189b entdeckte Leuchten beträgt nur ein paar Millionstel des vom Stern ausgesandten Lichts und hängt mit der Temperatur der Planetenatmosphäre sowie deren Wolkenbedeckung zusammen. Damit ist klar, dass CHEOPS viel mehr kann als ’nur‘ die Größe von Planeten zu messen“, erklärt Prof. David Ehrenreich von der Universität Genf, Co-Leiter des internationalen Teams von über hundert Wissenschaftlern, die an der Auswertung der Mission beteiligt sind.

Verlängerung der Mission verspricht weitere faszinierende Entdeckungen
Die Hauptmission von CHEOPS war für eine Dauer von dreieinhalb Jahren, also bis September 2023, angelegt. Die herausragende Qualität der wissenschaftlichen Ergebnisse der Mission wird durch die Veröffentlichung von mehr als fünfzig auf CHEOPS-Daten basierenden wissenschaftlichen Artikeln in internationalen Fachzeitschriften belegt. Der Satellit wurde inmitten einer weltweiten Pandemie erfolgreich betrieben, und sein Gesundheitszustand ist im Hinblick auf die rauen Bedingungen im Weltraum, wo er ständig von kosmischer und hochenergetischer Strahlung bombardiert wird, ausgezeichnet. All diese Faktoren haben das CHEOPS-Team dazu veranlasst, eine Verlängerung der Mission über das Jahr 2023 hinaus vorzuschlagen.

Die Verlängerung des CHEOPS-Betriebs wurde nun vom Ausschuss für das Wissenschaftsprogramm der ESA bis mindestens 2026 genehmigt, vorausgesetzt, die nationalen Förderer und Partner leisten weiterhin Unterstützung. Die Mitglieder des CHEOPS-Teams stammen aus 40 Institutionen in ganz Europa: Neben der ESA haben sich 11 Länder, darunter die Schweiz in einer führenden Rolle, zusammengeschlossen, um das Teleskop zwischen 2012 und 2019 zu finanzieren und zu bauen. „CHEOPS kann für die Verlängerung der Mission weiterhin auf die starke Unterstützung der beteiligten Finanzierungsagenturen zählen, darunter auch der Schweiz, deren führende Rolle bei der CHEOPS-Mission (einschließlich des verlängerten Betriebs) durch ihre Mitgliedschaft in der ESA und ihre Teilnahme am PRODEX-Programm ermöglicht wird“, sagt Oliver Botta, Vorsitzender des CHEOPS-Lenkungsausschusses.

Mit der nun genehmigten Missionsverlängerung plant das CHEOPS-Team, den Satelliten weiterhin für seine Kernaufgaben einzusetzen aber gleichzeitig auch neue Beobachtungsmethoden auszuprobieren. „Wir haben bisher nur an der Oberfläche von CHEOPS‘ Fähigkeiten gekratzt. Der Satellit bietet noch viel mehr wissenschaftliche Möglichkeiten, und wir freuen uns darauf, diese während der Verlängerung auszuloten“, erklärt Benz. „Ein sehr spannendes Ergebnis wäre die Entdeckung des ersten Exomonds“, verrät Ehrenreich. „Viele Planeten in unserem Sonnensystem haben Monde. Wir erwarten deshalb, dass wir diese auch in der Umlaufbahn von Exoplaneten finden werden, und wir beobachten bereits einige Kandidaten. Es ist jedoch schwierig, Exomonde zu entdecken, weil sie sehr klein und ihre Signaturen daher eher schwach sind. CHEOPS ist jedoch präzise genug, um Exomonde in der Größe des Planeten Mars zu finden, der doppelt so groß ist wie unser Mond. Wenn solche Exomonde in den von uns beobachteten Systemen existieren, könnten wir sie während der verlängerten Mission finden.“

Eine einzigartige Rolle im Bereich der Weltraummissionen
Ein weiteres einzigartiges Merkmal von CHEOPS ist die Fähigkeit, seine Kräfte mit anderen Weltraummissionen wie dem James Webb Space Telescope (JWST), einem Gemeinschaftsprojekt der NASA und der ESA, zu kombinieren. CHEOPS kann unser Wissen über bereits bekannte Exoplaneten verfeinern und so die besten Kandidaten für Atmosphärenbeobachtungen mit JWST auswählen. „Dank der Resultate von CHEOPS haben wir wertvolle JWST-Beobachtungszeit erhalten, um die Planeten des Systems TOI-178 zu betrachten und ihre atmosphärische Zusammensetzung zu bestimmen. Dies wird uns helfen, die dynamische Geschichte dieses Systems zu verstehen“, erklärt Prof. Yann Alibert von der Universität Bern. Alibert koordiniert ein CHEOPS-Programm, das sich mit der Verfolgung von multiplanetaren Systemen befasst, die vom NASA-Satelliten TESS entdeckt wurden. „Dies ist ein Beispiel für die große Synergie zwischen CHEOPS und anderen Missionen: TESS fand ursprünglich drei Planeten, die den Stern TOI-178 umkreisen. Als CHEOPS dieses System untersuchte, entdeckte es drei weitere Planeten und zeigte eine außergewöhnliche und zerbrechliche Orbitalharmonie. Das führte uns zur Annahme, dass dieses System seit Milliarden von Jahren ungestört ist“, erklärt Alibert.

„Die Forschung ist gespannt, welche überraschenden Ergebnisse CHEOPS als nächstes hervorbringen wird; nun steht fest, dass CHEOPS noch jahrelang neue Entdeckungen machen kann“, so Benz abschließend.

CHEOPS – Auf der Suche nach potenziell lebensfreundlichen Planeten
Die CHEOPS-Mission (CHaracterising ExOPlanets 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.

Mehr Informationen: https://cheops.unibe.ch/de/.

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• Weltraumteleskop Cheops – CHaracterising ExOPlanets Satellite

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Quelle: ESA.

25. Januar 2021 – Die ESA-Exoplaneten-Mission Cheops hat ein einzigartiges Planetensystem mit der Bezeichnung TOI-178 entdeckt. Dieses besteht aus sechs Exoplaneten, von denen sich fünf in einem seltenen rhythmischen Tanz um ihr Zentralgestirn bewegen. Die Größe und Masse dieser Planeten folgt allerdings keinem derart geordneten Muster. Dieser Fund stellt die derzeitigen Theorien zur Planetenentstehung infrage.

Die zunehmende Entdeckung von Planetensystemen, die sich von unserem Sonnensystem stark unterscheiden, verbessert unser Verständnis über die Planetenentstehung und -entwicklung fortwährend. Das Planetensystem TOI-178, das gut 200 Lichtjahre entfernt im Sternbild des Bildhauers liegt, dient hierfür als eindrucksvolles Beispiel.

Nach Beobachtungen des Planetensystems mit dem NASA-Weltraumteleskop TESS, kurz für Transiting Exoplanet Survey Satellite, gingen Astronominnen und Astronomen bereits davon aus, dass sie dort zwei oder mehr Exoplaneten finden würden. Neue, hochpräzise Daten des 2019 ins All gestarteten ESA-Weltraumteleskops Cheops,kurz für Characterising Exoplanet Satellite, zeigen nun, dass TOI-178 mindestens sechs Planeten umfasst und dass dieses ferne Sonnensystem außergewöhnlich aufgebaut ist. Das Team um Adrien Leleu von der Universität Genf und der Universität Bern hat seine Ergebnisse heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Eine der Besonderheiten des TOI-178-Systems, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Cheops aufdecken konnten, ist, dass die Planeten – mit Ausnahme desjenigen, der dem Stern am nächsten ist – einem rhythmischen Tanz folgen, während sie sich auf ihren Bahnen bewegen. Dieses Phänomen wird als Bahnresonanz bezeichnet: Die Planeten folgen in ihrem Weg um den Stern herum sich stetig wiederholenden Mustern, und alle paar Orbits ordnen sie sich in einer Linie an.

Eine ähnliche Bahnresonanz wurde bei den drei Jupitermonden Io, Europa und Ganymed beobachtet. In der Zeit, in der Ganymed einen Orbit schafft, durchläuft Europa zwei Orbits und Io vier, deshalb ist hier von einem 4:2:1-Muster die Rede.

Im System TOI-178 ist die Resonanzbewegung weitaus komplexer, da fünf Planeten involviert sind. Diese folgen einem 18:9:6:4:3-Muster: Während der zweite Planet vom Stern aus betrachtet 18 Orbits durchläuft, absolviert der dritte Planet, der zweite im Muster, neun Orbits und so weiter.

Anfangs fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nur vier Planeten in der Bahnresonanz. Als sie jedoch dem Muster folgten, berechneten sie, dass das System noch einen weiteren Planeten umfassen müsste -der vierte im Muster und damit der fünfte Planet vom Stern aus gesehen.

„Wir prognostizierten seine Bahn sehr genau, indem wir annahmen, dass er sich in Resonanz mit den anderen Planeten bewegte“, erklärt Leleu. Eine zusätzliche Beobachtung mit Cheops bestätigte, dass sich der vermutete Planet tatsächlich im prognostizierten Orbit bewegte.“

Nachdem sie diese seltenen orbitalen Anordnungen entdeckt hatten, wollten die Wissenschaftler herausfinden, ob die Dichte der Planeten,also ihre Größe und Masse, einem ebenso geordneten Muster folgt. Für diese Untersuchungen kombinierten Leleu und sein Team Cheops-Daten mit denen aus Beobachtungen von bodenbasierten Teleskopen der Europäischen Südsternwarte im Paranal-Observatorium in Chile.

Doch während die Planeten im TOI-178-System ihren Stern in einer sehr geordneten Weise umkreisen, geht es bei ihren Dichten chaotischer zu.

Einer der Exoplaneten ähnelt von der Dichte der Erde, während sein Nachbar von ähnlicher Größe eine viel geringere Dichte aufweist und damit an einen Mini-Jupiter erinnert. Der nächste Nachbar weist ähnliche Eigenschaften wie der Neptun auf.

„Das hatten wir nicht erwartet“, sagt Leleu. „Solch einen Aufbau beobachten wir zum ersten Mal in einem Planetensystem. Uns sind wenige Systeme bekannt, in denen die Planeten in so einer rhythmischen Resonanz unterwegs sind, doch bei denen nimmt die Dichte der Planeten allmählich ab, je weiter sie vom Stern entfernt sind. Der Theorie nach hätten wir also genau das erwartet.“

Normalerweise könnten katastrophale Ereignisse wie Rieseneinschläge große Schwankungen in der Planetendichte erklären, aber das TOI-178-System wäre dann nicht auf diese Weise geordnet.

„Die Bahnen in diesem System sind sehr gut geordnet, was uns sagt, dass sich dieses System seit seiner Geburt recht sanft entwickelt hat“, erklärt Co-Autor Yann Alibert von der Universität Bern.

Die Aufdeckung der komplexen Architektur des TOI-178-Systems, die aktuelle Theorien zur Planetenentstehung in Frage stellt, wurde dank der fast 12-tägigen Beobachtungen mit Cheops möglich. (elf Tage durchgehende Beobachtung sowie zwei kürzere Beobachtungen).

„Die Lösung dieses aufregenden Rätsels erforderte einiges an Planungsaufwand, insbesondere die Planung der 11-tägigen Dauerbeobachtung, die notwendig war, um die Signaturen der verschiedenen Planeten einzufangen“, sagt Kate Isaak, Cheops-Projektwissenschaftlerin bei der ESA. „Diese Studie hebt wunderbar hervor, was ein potenzieller Cheops-Nachfolger leisten könnte – nämlich nicht nur bereits bekannte Planeten besser zu charakterisieren, sondern auch neue aufzuspüren und zu bestätigen.“

Leleu und sein Team wollen Cheops weiter nutzen, um das TOI-System noch eingehender zu untersuchen.

„Wir könnten mehr Planeten in der habitablen Zone entdecken – wo sich flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche befinden könnte –, die jenseits der Orbits der Planeten, die wir bisher entdeckt haben, anfängt“, so Leleu weiter. „Außerdem möchten wir herausfinden, was mit dem innersten Planeten, der sich nicht in Resonanz mit den anderen befindet, geschehen ist. Wir vermuten, dass er wegen Gezeitenkräften aus dieser Resonanz herausgefallen ist.“

Astronomen werden Cheops nutzen, um Hunderte bekannter Exoplaneten, die um helle Sterne kreisen, zu untersuchen.

„Cheops wird nicht nur unser Wissen über die Entstehung von Exoplaneten verbessern, sondern auch über die Entstehung unseres Planeten und des Sonnensystems“, fügt Isaak hinzu.

Publikation:
„Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178“ von A. Leleu et al. erscheint in Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202039767

Mehr über Cheops:
Cheops ist eine in Partnerschaft mit der Schweiz entwickelte ESA-Mission, mit einem von der Universität Bern geführten Konsortium und wichtigen Beiträgen aus Österreich, Belgien, Frankreich, Deutschland, Ungarn, Italien, Portugal, Schweden und Großbritannien.

Die ESA ist die Architektin der Cheops-Mission und zeichnet verantwortlich für die Beschaffung und das Testen des Satelliten, den Start und die frühe Operationsphase, die Inbetriebnahme im Orbit sowie das Gastbeobachterprogramm, über das sich Wissenschaftler weltweit für Beobachtungen mit Cheops bewerben können. Das von der Schweiz geführte Konsortium aus elf ESA-Mitgliedsstaaten hat wesentliche Elemente der Mission zur Verfügung gestellt. Der Hauptauftragnehmer für die Entwicklung und den Bau des Raumfahrzeuges ist Airbus Defence and Space in Madrid, Spanien.

Das Cheops-Missionskonsortium betreibt das Missionsoperationszentrum am INTA in Torrejón de Ardoz bei Madrid, Spanien, und das Wissenschaftsoperationszentrum an der Universität Genf, Schweiz.

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• ESO: Exoplaneten mit rhythmischer Bewegung (25. Januar 2021)

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Quelle: ESON.

Mit einer Reihe von Teleskopen, darunter das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO), haben Astronomen ein System aus sechs Exoplaneten entdeckt, von denen fünf in einem ungewöhnlichen Rhythmus um ihren Zentralstern kreisen. Die Forscher sind überzeugt, dass das System wichtige Hinweise darauf liefern könnte, wie Planeten, einschließlich derer im Sonnensystem, entstehen und sich entwickeln.

Als das Team TOI-178, einen etwa 200 Lichtjahre entfernten Stern im Sternbild Sculptor, zum ersten Mal beobachtete, dachten sie, sie hätten zwei Planeten entdeckt, die ihn auf der gleichen Bahn umkreisen. Ein genauerer Blick offenbarte jedoch etwas ganz anderes. „Durch weitere Beobachtungen erkannten wir, dass es sich nicht um zwei Planeten handelt, die den Stern in etwa gleichem Abstand umkreisen, sondern um mehrere Planeten in einer ganz speziellen Konfiguration“, sagt Adrien Leleu von der Universität Genf und der Universität Bern, Schweiz, der eine neue Studie des Systems leitete, die heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde.

Die neuen Forschungen haben ergeben, dass das System sechs Exoplaneten aufweist und dass alle außer demjenigen, der dem Stern am nächsten ist, in einem rhythmischen Tanz gefangen sind, während sie sich ihren Bahnen bewegen. Mit anderen Worten: Sie befinden sich in Resonanz. Das bedeutet, dass es ein Muster gibt, das sich wiederholt, während die Planeten um den Stern kreisen, wobei sich einige Planeten alle paar Umläufe aneinander ausrichten. Eine ähnliche Resonanz wird auch bei den Bahnen von drei Jupitermonden beobachtet: Io, Europa und Ganymed. Io, der dem Jupiter am nächsten gelegene der drei Monde, absolviert für jeden Orbit, den der am weitesten entfernte Ganymed macht, vier volle Umläufe um Jupiter, und für jeden Orbit, den Europa macht, zwei volle Umläufe.

Die fünf äußeren Exoplaneten des TOI-178-Systems folgen einer viel komplexeren Resonanzkette, einer der längsten, die bisher in einem Planetensystem entdeckt wurde. Während sich die drei Jupitermonde in einer 4:2:1-Resonanz befinden, folgen die fünf äußeren Planeten des TOI-178-Systems einer 18:9:6:4:3-Kette: Während der vom Stern aus gesehen zweite Planet (der erste in der Resonanzkette) 18 Umläufe vollzieht, absolviert der vom Stern aus gesehen dritte Planet (der zweite in der Kette) 9 Umläufe, und so weiter. Tatsächlich fanden die Wissenschaftler zunächst nur fünf Planeten in dem System, aber indem sie diesem Resonanzrhythmus folgten, berechneten sie, wo sich ein zusätzlicher Planet in seiner Umlaufbahn befinden würde, wenn sie das nächste Mal ein Zeitfenster zur Beobachtung des Systems hätten.

Dieser Tanz der resonierenden Planeten ist mehr als nur eine Bahnkuriosität, er liefert Hinweise auf die Vergangenheit des Systems. „Die Bahnen in diesem System sind sehr gut geordnet, was uns sagt, dass sich dieses System seit seiner Geburt recht sanft entwickelt hat“, erklärt Co-Autor Yann Alibert von der Universität Bern. Wäre das System früher in seinem Leben erheblich gestört worden, zum Beispiel durch einen riesigen Einschlag, hätte diese fragile Konfiguration der Bahnen nicht überlebt.

Unordnung im rhythmischen System
Doch auch wenn die Bahnkonfiguration sauber und geordnet ist, sind die Dichten der Planeten „viel ungeordneter“, sagt Nathan Hara von der Universität Genf, Schweiz, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Es scheint, dass es einen Planeten gibt, der so dicht ist wie die Erde, direkt neben einem sehr leichten Planeten mit der Hälfte der Dichte des Neptuns, gefolgt von einem Planeten mit der Dichte des Neptuns. Das ist nicht das, was wir gewohnt sind.“ In unserem Sonnensystem zum Beispiel sind die Planeten fein säuberlich angeordnet, mit den dichteren Gesteinsplaneten näher am Zentralstern und den lockerer strukturierten Gasplaneten mit geringer Dichte weiter draußen.

„Dieser Kontrast zwischen der rhythmischen Harmonie der Orbitalbewegung und den ungeordneten Dichten stellt unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen sicherlich in Frage“, betont Leleu.

Kombinierte Techniken
Um die ungewöhnliche Architektur des Systems zu untersuchen, nutzte das Team Daten des CHEOPS-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zusammen mit dem bodengebundenen ESPRESSO-Instrument am VLT der ESO sowie NGTS und SPECULOOS, die sich beide am Paranal-Observatorium der ESO in Chile befinden. Da es extrem schwierig ist, Exoplaneten direkt mit Teleskopen zu entdecken, müssen sich die Astronomen stattdessen auf andere Techniken verlassen, um sie aufzuspüren. Die wichtigsten Methoden, die dabei zum Einsatz kommen, sind die Beobachtung von Transits – die Analyse des Lichts, das vom Zentralstern ausgesandt wird, der sich verdunkelt, wenn ein Exoplanet von der Erde aus gesehen vor ihm vorbeizieht – und Radialgeschwindigkeiten – die Beobachtung des Lichtspektrums des Sterns auf kleine Anzeichen von Verschiebungen, die auftreten, wenn sich die Exoplaneten auf ihren Bahnen bewegen. Das Team verwendete beide Methoden, um das System zu beobachten: CHEOPS, NGTS und SPECULOOS für die Transite und ESPRESSO für die Radialgeschwindigkeiten.

Durch die Kombination der beiden Techniken konnten die Astronomen wichtige Informationen über das System und seine Planeten sammeln, die ihren Zentralstern viel näher und viel schneller umkreisen als die Erde die Sonne umkreist. Der schnellste (der innerste Planet) vollendet eine Umlaufbahn in nur ein paar Tagen, während der langsamste etwa zehnmal so lange braucht. Die sechs Planeten sind etwa ein- bis dreimal so groß wie die Erde, während ihre Masse das 1,5- bis 30-fache der Erdmasse beträgt. Einige der Planeten bestehen aus Gestein, sind aber größer als die Erde und werden als Super-Erden bezeichnet. Andere sind Gasplaneten, wie die äußeren Planeten in unserem Sonnensystem, allerdings sind sie viel kleiner und werden Mini-Neptune genannt.

Obwohl keiner der sechs gefundenen Exoplaneten in der bewohnbaren Zone des Sterns liegt, vermuten die Forscher, dass sie durch die Weiterverfolgung der Resonanzkette weitere Planeten finden könnten, die in oder sehr nahe an dieser Zone existieren könnten. Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll, wird in der Lage sein, Gesteinsplaneten in der bewohnbaren Zone eines Sterns direkt abzubilden und sogar ihre Atmosphären zu charakterisieren. Dies bietet die Möglichkeit, Systeme wie TOI-178 noch detaillierter zu erforschen.

Weitere Informationen
Diese Studie wurde in dem Artikel „Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178“ vorgestellt, der in Astronomy & Astrophysics erscheint.

Das Team besteht aus A. Leleu (Observatoire Astronomique de l’Université de Genève, Schweiz [UNIGE], Universität Bern, Schweiz [Bern]), Y. Alibert (Bern), N. C. Hara (UNIGE), M. J. Hooton (Bern), T. G. Wilson (Centre for Exoplanet Science, SUPA School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, UK [St Andrews]), P. Robutel (IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, Frankreich [IMCCE]), J.- B Delisle (UNIGE), J. Laskar (IMCCE), S. Hoyer (Aix Marseille Univ, CNRS, CNES, LAM, Frankreich [AMU]), C. Lovis (UNIGE), E. M. Bryant (Department of Physics, University of Warwick, UK [Warwick], Centre for Exoplanets and Habitability, University of Warwick [CEH]), E. Ducrot (Astrobiology Research Unit, Université de Liège, Belgien [Liège]), J. Cabrera (Institut für Planetenforschung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Berlin, Deutschland [Institut für Planetenforschung, DLR]), J. Acton (School of Physics and Astronomy, University of Leicester, UK [Leicester]), V. Adibekyan (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, Portugal [IA], Centro de Astrofísica da Universidade do Porto, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto [CAUP]), R. Allart (UNIGE), C, Allende Prieto (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife [IAC], Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife [ULL]), R. Alonso (IAC, ULL), D. Alves (Camino El Observatorio 1515, Las Condes, Santiago, Chile), D. R Anderson (Warwick, CEH), D. Angerhausen (ETH Zürich, Institut für Teilchenphysik und Astrophysik), G. Anglada Escudé (Institut de Ciències de l’Espai [ICE, CSIC], Bellaterra, Spanien, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya [IEEC], Barcelona, Spanien), J. Asquier (ESTEC, ESA, Noordwijk, die Niederlande [ESTEC]), D. Barrado (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia [CSIC-INTA], Madrid, Spanien), S.C.C Barros (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto), W. Baumjohann (Institut für Weltraumforschung, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Österreich), D. Bayliss (Warwick, CEH), M. Beck (UNIGE), T. Beck (Bern) A. Bekkelien (UNIGE), W. Benz (Bern, Center for Space and Habitability, Bern, Schweiz [CSH]), N. Billot (UNIGE), A. Bonfanti (IWF), X. Bonfils (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Frankreich), F. Bouchy (UNIGE), V. Bourrier (UNIGE), G. Boué (IMCCE), A. Brandeker (Department of Astronomy, Stockholm University, Sweden), C. Broeg (Bern), M. Buder (Institut für Optische Sensorsysteme, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)), A. Burdanov (Liège, Department of Earth, Atmospheric and Planetary Science, Massachusetts Institute of Technology, USA), M. R. Burleigh (Leicester), T. Bárczy (Admatis, Miskok, Hungary), A. C. Cameron (St Andrews), S. Chamberlain (Leicester), S. Charnoz (Université de Paris, Institut de physique du globe de Paris, CNRS, Frankreich), B. F. Cooke (Warwick, CEH), C. Corral Van Damme (ESTEC), A. C. M. Correia (CFisUC, Department of Physics, University of Coimbra, Portugal, IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, Frankreich), S. Cristiani (INAF – Osservatorio Astronomico di Trieste, Italien [INAF Trieste]), M. Damasso (INAF – Osservatorio Astrofisico di Torino, Italien [INAF Torino]), M. B. Davies (Lund Observatory, Dept. of Astronomy and Theoretical Physics, Lund University, Schweden), M. Deluil (AMU), L. Delrez (AMU, Space sciences, Technologies and Astrophysics Research [STAR] Institute, Université de Liège, Belgien, UNIGE), O. D. S. Demangeon (IA), B.- O. Demory (CSH), P. Di Marcantonio (INAF Trieste), G. Di. Persio (INAF, Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali, Roma, Italy), X. Dumusque (UNIGE), D. Ehrenreich (UNIGE), A. Erikson (Institut für Planetenforschung, DLR), P. Figueira (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, ESO Vitacura), A. Fortier (Bern, CSH), L. Fossato (Institut für Weltraumforschung, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Graz, Österreich [IWF]), M. Fridlund (Leiden Observatory, University of Leiden, The Netherlands, Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Sweden [Chalmers]), D. Futyan (UNIGE), D. Gandolfi (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino, Italy), A. García Muñoz (Zentrum für Astronomie und Astrophysik, Technische Universität Berlin, Deutschland), L. Garcia (Liège), S. Gill (Warwick, CEH), E. Gillen (Astronomy Unit, Queen Mary University of London, UK, Cavendish Laboratory, Cambridge, UK [Cavendish Laboratory]), M. Gillon (Lüttich), M. R. Goad (Leicester), J. I. González Hernández (IAC, ULL), M. Guedel (Universität Wien, Abteilung für Astrophysik, Österreich), M. N. Günther (Abteilung für Physik und Kavli Institut für Astrophysik und Weltraumforschung, Massachusetts Institute of Technology, USA), J. Haldemann (Bern), B. Henderson (Leicester), K. Heng (CSH), A. E. Hogan (Leicester), E. Jehin (STAR), J. S. Jenkins (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chile, Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA), Santiago, Chile), A. Jordán (Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Adolfo Ibáñez, Santiago, Chile, Millennium Institute for Astrophysics, Chile), L. Kiss (Konkoly Observatory, Research Centre for Astronomy and Earth Sciences, Budapest, Ungarn), M. H. Kristiansen (Brorfelde Observatory, Observator Gyldenkernes, Dänemark, DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, Dänemark), K. Lam (Institute of Planetary Research, DLR), B. Lavie (UNIGE), A. Lecavelier des Etangs (Institut d’astrophysique de Paris, UMR7095 CNRS, Université Pierre & Marie Curie, Paris, Frankreich), M. Lendil (UNIGE), J. Lillo-Box (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA),ESAC campus, Madrid, Spanien), G. Lo Curto (ESO Vitacura), D. Magrin (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italien [INAF Padova]), C. J. A. P. Martins (IA, CAUP), P. F. L. Maxted (Astrophysics Group, Keele University, UK), J. McCormac (Warwick), A. Mehner (ESO Vitacura), G. Micela (INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo, Italien), P. Molaro (INAF Trieste, IFPU Trieste), M. Moyano (Instituto de Astronomía, Universidad Católica del Norte, Antofagasta, Chile), C. A. Murray (Cavendish Laboratory), V. Nascimbeni (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italien), N. J. Nunes (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Portugal), G. Olofsson (Department of Astronomy, Stockholm University, Sweden), H. P. Osborn (CSH, Department of Physics and Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, USA), M. Oshagh (IAC, ULL), R. Ottensamer (Institut für Astrophysik, Universität Wien, Österreich), I. Pagano (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Italien), E. Pallé (IAC, ULL), P. P. Pedersen (Cavendish Laboratory), F. A. Pepe (UNIGE), C.M. Persson (Chalmers), G. Peter (Institut für Optische Sensorsysteme, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Berlin, Deutschland), G. Piotto (INAF Padova, Dipartimento di Fisica e Astronomia „Galileo Galilei“, Università degli Studi di Padova, Italien), G. Polenta (Space Science Data Center, Roma, Italien), D. Pollacco (Warwick), E. Poretti (Fundación G. Galilei – INAF (Telescopio Nazionale Galileo), La Palma, Spanien, INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, Italien), F. J. Pozuelos (Lüttich, STAR), F. Pozuelos (Lüttich, STAR), D. Queloz (UNIGE, Cavendish Laboratory), R. Ragazzoni (INAF Padova), N. Rando (ESTEC), F. Ratti (ESTEC), H. Rauer (Institut für Planetenforschung, DLR), L. Raynard (Leicester), R. Rebolo (IAC, ULL), C. Reimers (Abteilung für Astrophysik, Universität Wien, Österreich), I. Ribas (Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC), Spanien, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), Barcelona, Spanien), N. C. Santos (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto), G. Scandariato (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Italien), J. Schneider (Observatorium Paris, Frankreich), D. Sebastian (School of Physics Astronomy, University of Birmingham, UK [Birmingham]), M. Sestovic (CSH), A. E. Simon (Bern), A. M. S. Smith (Institut für Planetenforschung, DLR), S. G. Sousa (IA), A. Sozzetti (INAF Torino), M. Steller (IWF), A. Suárez Mascareño (IAC, ULL), G. M. Szabó (ELTE Eötvös Loránd Universität, Gothard Astrophysical Observatory, Ungarn, MTA-ELTE Exoplanet Research Group, Ungarn), D Ségransan (UNIGE), N. Thomas (Bern), S. Thompson (Cavendish Laboratory), R. H. Tilbrook (Leicester), A. Triaud (Birmingham), S. Udry (UNIGE), V. Van Grootel (STAR), H. Venus (Institut für optische Sensorsysteme, DLR), F. Verrecchia (Space Science Data Center, ASI, Roma, Italien, INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), J. I. Vines (Camino El Observatorio 1515, Santiago, Chile), N. A. Walton (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK), R. G. West (Warwick, CEH), P. K. Wheatley (Warwick, CEH), D. Wolter (Institut für Planetenforschung, DLR), M. R. Zapatero Osorio (Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Madrid, Spanien).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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