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 5. Juni 2024.

5. Juni 2024 – Das Projekt «ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph» ANDES wird etwa 120 Millionen Euro kosten, und die Schweiz ist einer der Hauptbeitragsleistenden sowohl in instrumenteller als auch in wissenschaftlicher Hinsicht. Dieser Spektrograf der zweiten Generation für das Extremely Large Telescope (ELT), das zukünftige Riesenteleskop der ESO mit 39 Metern Durchmesser, welches derzeit in der chilenischen Atacamawüste gebaut wird. ANDES wird es unter anderem ermöglichen, die Atmosphäre von Exoplaneten nach Spuren von Leben zu durchforsten oder Exoplaneten zu untersuchen, die sich in ihrer protoplanetaren Scheibe bilden.

Die Vereinbarung über die Planung und den Bau von ANDES zwischen der ESO und einem Konsortium von Institutionen, dem auch die Universität Genf und die Universität Bern angehören, wurde heute am Hauptsitz der ESO in Deutschland von Xavier Barcons, dem Generaldirektor der ESO, und Roberto Ragazzoni, dem Präsidenten des italienischen Nationalinstituts für Astrophysik (INAF), unterzeichnet. Das INAF leitet das Konsortium für das 120 Millionen Euro teure Instrument, das einem kleinen Raumfahrtsatelliten entspricht.

Suche nach Spuren von Leben auf Exoplaneten
ANDES ist ein leistungsfähiger Spektrograf, ein Instrument, das Licht in seine verschiedenen Farben zerlegt, damit Forschende die Eigenschaften astronomischer Objekte, wie z. B. ihre chemische Zusammensetzung, bestimmen können. Er wird am ELT der ESO installiert. Das Instrument wird eine Rekordgenauigkeit im sichtbaren und nahen Infrarotbereich aufweisen und zusammen mit dem leistungsstarken Spiegelsystem des ELT den Weg für Forschungsarbeiten ebnen, die viele Bereiche der Astronomie abdecken.

«Der Beitrag der Universität Genf konzentriert sich hauptsächlich auf einen der vier Spektrografen, aus denen ANDES bestehen wird, den RIZ-Spektrografen (in den Wellenlängen Rot und Nahinfrarot) für die instrumentelle Seite und auf die Anwendungen von ANDES im Bereich der Planetensysteme für die wissenschaftliche Seite», erklärt Christophe Lovis, assoziierter Professor an der Universität Genf und Schweizer Vertreter für das ANDES-Konsortium. «ANDES wird es ermöglichen, die Atmosphäre von Exoplaneten auf der Suche nach Biosignaturen zu untersuchen. Es wird den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Centre pour la Vie dans l’Univers, des neu gegründeten Forschungszentrums der Universität Genf, das sich mit der schwierigen Frage des Lebens ausserhalb der Erde befasst, eine grosse Hilfe sein», so Christophe Lovis.

Während heute die offizielle Unterzeichnung stattfindet, herrscht bei den Teams der Astronomieabteilung der Universität Genf bereits rege Betriebsamkeit. «Wir haben bereits ein solides optisches Design für den RIZ-Spektrografen, aber es gibt noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Ein Beispiel: Das Teleskop ist so gross, dass die optischen Teile des Spektrografen, die selbst sehr gross sein werden, auf den Zehntausendstel der Dicke eines Haares ausgerichtet bleiben müssen, damit wir das Signal einer Exo-Erde erkennen können», sagt Audrey Lanotte, Optikingenieurin an der Universität Genf. «Das Projekt beschäftigt bereits ein Dutzend Fachleute an der Universität. Diese Art von Projekt erfordert eine hervorragende Koordination zwischen den verschiedenen Berufsgruppen. Das ist alles sehr aufregend», fügt Audrey Lanotte hinzu.

Gefragte Schweizer Expertise
Die Universität Bern ihrerseits trägt zu ANDES bei, indem sie ein weiteres Kernstück für den Spektrografen liefert: das Lichtverteilungssystem. Dieses wird die Kalibrierung der verschiedenen Spektrografen mit stabilen Lichtquellen ermöglichen. «Die Schweiz ist einer der Hauptbeitragszahler zu diesem Instrument. Die Expertise und die jahrzehntelange Zusammenarbeit der Universität Bern und der Universität Genf, die in den letzten Jahren durch den NFS PlanetS gefestigt wurde, ermöglicht es der Schweiz, sich als internationale Referenz in der Forschung und im Design von hochpräzisen Instrumenten zur Beobachtung und Untersuchung von Exoplaneten, einschliesslich ihres Entstehungsprozesses, zu positionieren», sagt Christoph Mordasini, Professor und Leiter der Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie (WP) an der Universität Bern.

Das Extremely Large Telescope (ELT)
Das ELT mit seinem 39 Meter grossen Durchmesser wird voraussichtlich im Jahr 2028 «sein erstes Licht sehen», und ANDES wird einige Jahre später, etwa 2032, dort installiert.

Neben ihrem entscheidenden Beitrag zur Erforschung von Exoplaneten und Leben im Universum wird die Kombination aus ELT und ANDES auch in anderen Bereichen der Astrophysik bahnbrechende Fortschritte ermöglichen, z. B. bei der Messung der fundamentalen Konstanten der Physik, der Untersuchung ferner Galaxien oder der Entdeckung der ersten Sterne des Universums.

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• ESO Teleskop ELT

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Quelle: Universität Bern 29. November 2023.

29. November 2023 – CHEOPS ist eine gemeinsame Mission der ESA und der Schweiz, unter der Leitung der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der Universität Genf. Dank der Zusammenarbeit mit Forschenden, die mit Daten des NASA-Satelliten TESS arbeiten, konnte das internationale Team das Planetensystem aufdecken, welches den nahen Stern HD110067 umkreist. Eine Besonderheit dieses Systems ist seine Resonanzkette: Die Planeten umkreisen ihren Stern in perfekter Harmonie. Zum Forschungsteam gehören Forschende der Universität Bern und der Universität Genf, die auch Mitglieder des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) PlanetS sind. Die Ergebnisse wurden soeben in Nature veröffentlicht.

Die Planeten im System HD110067 umkreisen den Stern wie in einem sehr präzisen Walzer. Wenn der Planet, der dem Stern am nächsten ist, drei volle Umkreisungen um ihn macht, macht der zweite Planet genau zwei in der gleichen Zeit. Dies nennt man eine 3:2-Resonanz. «Unter den über 5’000 entdeckten Exoplaneten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen, sind Resonanzen nicht selten, ebenso wenig wie Systeme mit mehreren Planeten. Äusserst selten sind jedoch Systeme, bei denen sich die Resonanzen über eine so lange Kette von sechs Planeten erstrecken», betont Dr. Hugh Osborn, CHEOPS-Fellow an der Universität Bern, Leiter des an der Studie beteiligten CHEOPS-Beobachtungsprogramms und Mitautor der Studie. Genau dies ist der Fall bei HD110067, dessen Planeten eine so genannte «Resonanzkette» in aufeinanderfolgenden Paaren von 3:2, 3:2, 3:2, 4:3 und 4:3 Resonanzen bilden, was dazu führt, dass der nächstgelegene Planet sechs Umläufe um den Stern absolviert, während der äusserste Planet einen macht.

Ein scheinbar unlösbares Rätsel
Obwohl mehrere Planeten wegen ihren Transiten vor dem Stern bereits entdeckt worden waren, war die genaue Anordnung der Planeten zunächst unklar. Dank des präzisen Gravitationstanzes konnte das Forschungsteam jedoch das Rätsel von HD110067 lösen. Prof. Adrien Leleu von der Universität Genf, verantwortlich für die Analyse der Bahnresonanzen und Mitautor der Studie, erklärt: «Ein Transit findet statt, wenn ein Planet aus unserer Sicht vor seinem Stern vorbeizieht und dabei einen winzigen Teil des Sternenlichts blockiert, was zu einem scheinbaren Abfall seiner Helligkeit führt.»

Aus den ersten Beobachtungen des NASA-Satelliten TESS ging hervor, dass die beiden inneren Planeten ‘b’ und ‘c’ eine Umlaufzeit von 9 beziehungsweise 14 Tagen haben. Für die anderen vier entdeckten Planeten konnten jedoch keine Schlussfolgerungen gezogen werden. Zwei von ihnen wurden einmal im Jahr 2020 und einmal im Jahr 2022 beobachtet, also gab es eine grosse Lücke in den Daten von zwei Jahren. Die beiden anderen Planeten passierten den Stern nur einmal im Jahr 2022.

Die Lösung des Rätsels um diese vier zusätzlichen Planeten zeichnete sich schliesslich dank Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop CHEOPS ab. Während TESS darauf abzielt, den gesamten Himmel nach und nach abzusuchen, um kurzperiodische Exoplaneten zu finden, solche also, die nahe um ihren Stern kreisen und kurze Umlaufzeiten haben, ist CHEOPS eine zielgerichtete Mission, die sich mit äusserster Präzision auf jeweils einen einzelnen Stern konzentriert. «Mit unseren CHEOPS-Beobachtungen konnten wir feststellen, dass die Periode des Planeten ‘d’ 20,5 Tage beträgt. Ausserdem konnten wir mehrere Möglichkeiten für die verbleibenden drei äusseren Planeten ‚e‘, ‚f‘ und ‚g‘ ausschliessen“, erklärt Osborn.

Vorhersage des präzisen Walzers der Planeten
In diesem Moment erkannte das Team, dass die drei inneren Planeten von HD110067 in einer präzisen 3:2, 3:2-Resonanzkette tanzen: Der innerste Planet umkreist den Stern neunmal, der zweite sechsmal und der dritte viermal.

Das Team zog dann die Möglichkeit in Betracht, dass die drei anderen Planeten ebenfalls Teil der Resonanzkette sein könnten. «Dies führte zu Dutzenden von Möglichkeiten für ihre Umlaufzeit», erklärt Leleu, «aber durch die Kombination der vorhandenen Beobachtungsdaten von TESS und CHEOPS mit unserem Modell der Gravitationswechselwirkungen zwischen den Planeten konnten wir alle Lösungen bis auf eine ausschliessen: die 3:2, 3:2, 3:2, 4:3, 4:3-Kette.» Die Forschenden konnten daher vorhersagen, dass die drei äusseren Planeten (‚e‘, ‚f‘ und ‚g‘) Umlaufzeiten von 31, 41 und 55 Tagen haben.

Diese Vorhersage ermöglichte die Planung von Beobachtungen mit einer Reihe von bodengestützten Teleskopen. Weitere Transits des Planeten ‚f‘ wurden beobachtet, wobei sich herausstellte, dass er sich genau dort befand, wo die Theorie ihn aufgrund der Resonanzkette vorausgesagt hatte. Eine erneute Analyse der TESS-Daten ergab schließlich zwei versteckte Transits, jeweils einen der Planeten ‘f’ und ‘g’ genau zu den Zeiten, die von den Vorhersagen erwartet wurden, was die Perioden der sechs Planeten bestätigte. Weitere CHEOPS-Beobachtungen der einzelnen Planeten, insbesondere des Planeten ‘e’, sind für die nahe Zukunft geplant.

Ein Schlüsselsystem für die Zukunft
Von den wenigen bisher gefundenen Resonanzkettensystemen hat CHEOPS nicht nur zum Verständnis von HD110067, sondern auch von TOI-178 beigetragen. Ein weiteres bekanntes Beispiel für ein System mit Resonanzketten ist das System TRAPPIST-1, welches sieben Gesteinsplaneten beherbergt. Allerdings ist TRAPPIST-1 ein kleiner und unglaublich schwacher Stern, was zusätzliche Beobachtungen sehr schwierig macht. HD110067 hingegen ist mehr als 50-mal heller als TRAPPIST-1.

«Die Tatsache, dass die Planeten im System HD110067 mit der Transitmethode entdeckt wurden, ist entscheidend. Während sie vor dem Stern vorbeiziehen, wird das Licht auch durch die Planetenatmosphären gefiltert», betont Jo Ann Egger, Doktorandin an der Universität Bern, die die Zusammensetzung der Planeten anhand der CHEOPS-Daten berechnet hat und die Mitautorin der Studie ist. Diese Eigenschaft erlaubt es den Forschenden, die chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften der Atmosphären zu bestimmen.

Da viel Licht benötigt wird, sind der helle Stern HD110067 und die ihn umkreisenden Planeten ein ideales Ziel für weitere Studien zur Charakterisierung der Planetenatmosphären. «Die Sub-Neptun-Planeten des Systems HD110067 scheinen eine geringe Masse zu haben, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise gas- oder wasserreich sind. Zukünftige Beobachtungen dieser Planetenatmosphären, zum Beispiel mit dem James Webb Space Telescope (JWST), könnten Aufschluss darüber geben, ob die Planeten felsige oder wasserreiche innere Strukturen aufweisen», so Egger abschliessend.

Publikation:
“A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067” by R. Luque et al., veröffentlicht in Nature am 29. November 2023.
doi.org/10.1038/s41586-023-06692-3
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06692-3

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• Exoplaneten

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Quelle: ESA 25. August 2023.

25. August 2023 – XRISM ist eine Zusammenarbeit zwischen der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und der NASA, an der auch die ESA maßgeblich beteiligt ist. Der Start wird live auf Japanisch und Englisch auf dem YouTube-Kanal der JAXA übertragen.

Im Gegenzug für die Bereitstellung von Hardware und wissenschaftlicher Beratung erhält die ESA 8 % der verfügbaren Beobachtungszeit von XRISM. Dies wird es europäischen Wissenschaftler*innen ermöglichen, Himmelsquellen zur Beobachtung im Röntgenlicht vorzuschlagen und Durchbrüche in diesem Bereich der Astronomie zu erzielen.

„Die Röntgenastronomie ermöglicht uns die Untersuchung der energiereichsten Phänomene im Universum. Sie birgt den Schlüssel zur Beantwortung wichtiger Fragen der modernen Astrophysik: wie sich die größten Strukturen im Universum entwickeln, wie die Materie, aus der wir letztlich bestehen, im Kosmos verteilt wurde und wie Galaxien von massereichen schwarzen Löchern in ihrem Zentrum geformt werden“, sagt Matteo Guainazzi, ESA-Projektwissenschaftler für XRISM.

„XRISM wird eine wertvolle Brücke zwischen den anderen Röntgenmissionen der ESA sein: XMM-Newton, die nach 24 Jahren im All immer noch in Betrieb ist, und Athena, die Ende der 2030er-Jahre starten soll.“

Enthüllung des heißen und energiegeladenen Universums
Wenn wir in den Himmel schauen, sehen wir Sterne und Galaxien, aber diese sagen uns relativ wenig über die Funktionsweise des Universums. Für unsere Augen unsichtbar kann Gas, das Röntgenstrahlung emittiert und sich in und zwischen den Sternen und Galaxien befindet, viel mehr enthüllen.

Röntgenstrahlen werden bei den energiereichsten Explosionen und an den heißesten Orten des Universums freigesetzt. Dazu gehört das superheiße Gas, das die größten Bausteine des Universums umgibt: Galaxienhaufen. JAXA hat XRISM entwickelt, um Röntgenstrahlung dieses Gases aufzuspüren und den Astronomen*innen zu helfen, die Gesamtmasse dieser Systeme zu messen. Dies wird Aufschluss über die Entstehung und Entwicklung des Universums geben.

Die XRISM-Beobachtungen von Galaxienhaufen werden auch Aufschluss darüber geben, wie das Universum die chemischen Elemente produziert und verteilt hat. Das heiße Gas in den Haufen ist ein Überbleibsel der Geburt und des Todes von Sternen im Laufe der Geschichte des Universums. Durch die Untersuchung der von dem Gas emittierten Röntgenstrahlen wird XRISM herausfinden, welche „Metalle“ (Elemente, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium) es enthält, und kartieren, wie das Universum mit diesen angereichert wurde.

In der Zwischenzeit wird XRISM einzelne Objekte, die Röntgenstrahlung emittieren, näher betrachten, um die Grundlagen der Physik zu erforschen. Die Mission wird das Röntgenlicht von unglaublich dichten Objekten wie den aktiven supermassereichen schwarzen Löchern messen, die sich im Zentrum mancher Galaxien befinden. So können wir verstehen, wie die Objekte die umgebende Raumzeit verzerren und in welchem Ausmaß sie ihre Wirtsgalaxien durch „Winde“ von Teilchen beeinflussen, die mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen werden.

Europäische Beiträge zu einer globalen Anstrengung
„Die ESA und die europäische Gemeinschaft sind seit Langem an den Hochenergie-Weltraumteleskopen der JAXA beteiligt“, erklärt Matteo. „Die Fortsetzung dieser Partnerschaft durch XRISM bringt beiden Raumfahrtbehörden enorme Vorteile.“

Die Community der europäischen Hochenergieastronomie ist hochqualifiziert. Die Mitglieder waren an der Festlegung der wissenschaftlichen Ziele von XRISM beteiligt und wurden von der JAXA beauftragt, viele der kosmischen „Testobjekte“ auszuwählen, die die Mission beobachten wird, um ihre Leistung zu überprüfen, bevor das wissenschaftliche Beobachtungsprogramm beginnt.

Neben diesem wissenschaftlichen Beitrag hat sich die JAXA bei der Lieferung mehrerer Hardwarekomponenten, die für den Erfolg der Mission entscheidend sein werden, auf die Unterstützung Europas verlassen. Die ESA hat ein weltraumerprobtes optisches Teleskop zur Verfügung gestellt, um sicherzustellen, dass XRISM immer weiß, wohin es gerichtet ist, sowie zwei separate Geräte, die zusammen das Magnetfeld der Erde erfassen und die Sonde entsprechend ausrichten.

Europa hat auch zum neuartigen Instrument Resolve von XRISM beigetragen, das die Energie der einfallenden Röntgenphotonen messen wird. Dadurch können die Astronom*innen die Temperatur und die Bewegung von heißem, Röntgenstrahlen emittierendem Gas mit noch nie da gewesener Genauigkeit bestimmen. Resolve ist ein wissenschaftlicher und technologischer Wegbereiter für die künftige ESA-Mission Athena, die ein sehr ähnliches Instrument fliegen wird.

Die Kühlung des Resolve-Detektors – nur ein Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt – ist von entscheidender Bedeutung; die europäische Industrie hat die „Loop Heat Pipes“ für diese wichtige Aufgabe geliefert. SRON in den Niederlanden lieferte das Sechs-Filter-Rad des Instruments; jeder Filter kann für einen anderen Zweck über das Instrument gelegt werden. Die Universität Genf in der Schweiz entwickelte die Elektronik für das Filterrad.

Verfolgen Sie den Start live
XRISM soll am 28. August 2023 um 02:26 MESZ mit einer H-IIA-Rakete vom Tanegashima Space Center in Japan starten. Verfolgen Sie den Start live auf Japanisch/Englisch über den YouTube-Kanal der JAXA.

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• XRISM und SLIM auf H-IIA F47

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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: Universität Bern 14. Februar 2023.

14. Februar 2023 – In unserem Sonnensystem scheint alles seine Ordnung zu haben: Die kleineren Gesteinsplaneten, wie die Venus, die Erde oder der Mars kreisen relativ nahe um unseren Stern. Die großen Gas- und Eisriesen, wie Jupiter, Saturn oder Neptun ziehen dagegen in weiten Bahnen um die Sonne. Forschende der Universitäten Bern und Genf, sowie des Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS, zeigen in zwei im Fachmagazin Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Studien: damit steht unser Planetensystem ziemlich alleine da.

Wie Erbsen aus derselben Schote
«Bereits vor über einem Jahrzehnt stellten Astronominnen und Astronomen aufgrund von Beobachtungen mit dem damals bahnbrechenden Kepler Teleskop fest, dass Planeten in anderen Systemen ihren jeweiligen Nachbarn meist in Größe und Masse ähneln – wie Erbsen in einer Schote», sagt Studienhauptautor Lokesh Mishra, der an der Universität Bern und Genf, sowie dem NFS PlanetS forscht. Doch lange war unklar, ob diese Erkenntnis durch Einschränkungen bei den Beobachtungsmethoden zustande kam. «Es war unmöglich festzustellen, ob sich die Planeten in einem gewissen System genug ähnlich sind, um in die Klasse der ‘Erbsen-in-einer-Schote’-Systeme zu fallen, oder ob sie sich doch eher unterschieden – so, wie in unserem Sonnensystem», so Mishra.

Daher entwickelte der Forscher ein Konzept, um die Unterschiede und Ähnlichkeiten von Planeten derselben Systeme zu ermitteln. Und stellte dabei fest: es gibt nicht zwei, sondern vier solche Systemarchitekturen.

Vier Klassen von Planetensystemen
«Wir bezeichnen diese vier Klassen als ‘ähnlich’, ‘geordnet’, ‘anti-geordnet’ und ‘gemischt’, so Mishra. Planetensysteme, bei denen die Massen der benachbarten Planeten einander ähnlich sind, haben eine ähnliche Architektur. Geordnete Planetensysteme sind solche, bei denen die Masse der Planeten tendenziell mit dem Abstand zum Stern zunimmt – so, wie auch in unserem Sonnensystem. Wenn die Masse der Planeten dagegen mit dem Abstand zum Stern abnimmt, sprechen die Forschenden von einer anti-geordneten Architektur des Systems. Und gemischte Architekturen treten auf, wenn die Planetenmassen in einem System von Planet zu Planet stark schwanken.

«Dieses Konzept kann auch bei jeder anderen Messgröße angewendet werden, wie etwa Radius, Dichte oder Wasseranteilen», sagt Studienmitautor Yann Alibert, der an der Universität Bern und am NFS PlanetS forscht. «Damit haben wir nun erstmals ein Werkzeug, um Planetensysteme als Ganzes zu untersuchen und mit anderen Systemen zu vergleichen».

Die Erkenntnisse werfen auch Fragen auf: Welche Architektur ist die häufigste? Welche Faktoren steuern das Entstehen eines Architekturtyps? Welche Faktoren spielen keine Rolle? Einige davon können die Forschenden beantworten.

Eine Brücke über Milliarden von Jahren
«Unsere Ergebnisse zeigen, dass ‘ähnliche’ Planetensysteme die häufigste Art von Architekturen sind. Etwa acht von zehn Planetensysteme um die Sterne, die am Nachthimmel sichtbar sind, weisen eine solche ‘ähnliche’ Architektur auf», sagt Mishra. «Das erklärt auch, warum bereits in den ersten Monaten der Kepler-Mission Hinweise auf diese Architektur gefunden wurden». Überrascht hat das Team, dass die «geordnete» Architektur – also jene, zu der auch das Sonnensystem zählt – die seltenste Klasse zu sein scheint.

Es gäbe Hinweise, so Mishra, dass sowohl die Masse der Gas- und Staubscheibe, aus der die Planeten hervorgehen, als auch die Häufigkeit von schweren Elementen im jeweiligen Stern eine Rolle spielen. «Aus eher kleinen, wenig massiven Scheiben und Sternen mit wenig schweren Elementen gehen ‘ähnliche’ Planetensysteme hervor. Aus grossen, massiven Scheiben mit vielen schweren Elementen im Stern entstehen eher ‘geordnete’ und ‘anti-geordnete’ Systeme. ‘Gemischte’ Systeme entstehen aus mittelgrossen Scheiben. Dynamische Wechselwirkungen zwischen Planeten – wie etwa Kollisionen oder Auswürfe – beeinflussen die endgültige Architektur», erklärt Mishra.

«Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Ergebnisse ist, dass sie die Ausgangsbedingungen der Planeten- und Sternentstehung mit einer messbaren Eigenschaft – der Systemarchitektur – verbindet. Dazwischen liegen Milliarden von Jahren der Entwicklung. Uns ist es erstmals gelungen, diese riesige zeitliche Lücke zu überbrücken und überprüfbare Vorhersagen zu machen. Es wird spannend zu sehen, ob sie bestehen werden», resümiert Alibert.

Angaben zu den Publikationen:
L. Mishra, Y. Alibert, S. Udry, C. Mordasini, A framework for the architecture of exoplanetary systems. I. Four classes of planetary system architecture, Astronomy and Astrophysics, Accepted December 2022 https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202243751 DOI: 10.1051/0004-6361/202243751

L. Mishra, Y. Alibert, S. Udry, C. Mordasini, A framework for the architecture of exoplanetary systems. II. Nature versus nurture: Emergent formation pathways of architecture classes, Astronomy and Astrophysics, Accepted December 2022 https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202244705 DOI: 10.1051/0004-6361/202244705

Research Highlight Article in Nature Astronomy: Maltagliati, L. Finding order in planetary architectures. Nat Astron 7, 8 (20230). https://www.nature.com/articles/s41550-023-01895-0 DOI: 10.1038/s41550-023-01895-0

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• Exoplaneten

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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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• Weltraumteleskop Cheops – CHaracterising ExOPlanets Satellite

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Quelle: Universität Bern.

11. November 2021 – Die meisten der bisher entdeckten Exoplaneten wurden mit der Transitmethode entdeckt. Diese Technik basiert auf einer Mini-Finsternis, die entsteht, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht. Die beobachtete Abnahme der Leuchtkraft des Sterns ermöglicht es, nach einer periodischen Bestätigung der Beobachtungen auf die Existenz eines Planeten zu schließen und seinen Durchmesser zu schätzen. Die Theorie sagt jedoch voraus, dass in vielen Planetensystemen die Wechselwirkungen zwischen den Planeten diese Periodizität verändern und ihre Entdeckung unmöglich machen.

Vor diesem Hintergrund hat ein Team von Astronominnen und Astronomen der Universität Genf, der Universität Bern und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS in Zusammenarbeit mit der Firma Disaitek künstliche Intelligenz (KI) für die Bilderkennung eingesetzt. Sie haben einer Maschine beigebracht, die Auswirkungen von Wechselwirkungen zwischen Planeten vorherzusagen, was die Entdeckung von bisher unbekannten Exoplaneten möglich macht. Die entwickelte Methode, die einer Studie in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics beschrieben wird, könnte auf der Erde eingesetzt werden, um illegale Mülldeponien und Abfallablagerungen zu entdecken.

Die Entdeckung eines Planeten mit der Transitmethode ist ein langwieriger Prozess. Das Auffinden des von kleinen Planeten verursachten Signals in den Daten kann kompliziert, wenn nicht gar unmöglich sein, wenn Wechselwirkungen zwischen den Planeten die Periodizität des Transitphänomens verändern. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, müssen Instrumente entwickelt werden, die diesen Effekt berücksichtigen können.

«Deshalb haben wir uns überlegt, künstliche Intelligenz für die Bilderkennung einzusetzen», erklärt Adrien Leleu, Post-doctoral fellow in der Astronomieabteilung der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS.

Effektiv ist es möglich, einer Maschine anhand einer großen Anzahl von Beispielen beizubringen, alle Parameter zu berücksichtigen und die Auswirkungen der Wechselwirkungen zwischen den Planeten in einer bildlichen Darstellung der induzierten Wirkung vorherzusagen. Zu diesem Zweck hat sich das Forschungsteam über die Technologie- und Innovationsplattform des NFS PlanetS mit dem Unternehmen Disaitek zusammengetan.

Ein künstliches neuronales Netz zur Identifizierung von Objekten
«Bei der in diesem Projekt verwendeten KI handelt es sich um ein neuronales Netz, dessen Ziel es ist, für jedes Pixel eines Bildes zu bestimmen, welches Objekt es darstellt», erklärt Anthony Graveline, Präsident von Disaitek. Im Rahmen eines autonomen Fahrzeugs ermöglicht dieser Algorithmus die Identifizierung der Straße, des Trottoirs, der Schilder und der von der Kamera wahrgenommenen Fußgänger. Bei der Erkennung von Exoplaneten geht es darum, bei jeder Messung der Helligkeit des Sterns festzustellen, ob die Verfinsterung durch einen Planeten beobachtet wird. Das neuronale Netz trifft seine Entscheidung, indem es alle verfügbaren Beobachtungen dieses Sterns mit der Reihe von Konfigurationen vergleicht, die es beim Training gesehen hat.

«Bei den ersten Anwendungen der Methode haben wir zwei Exoplaneten – Kepler-1705b und Kepler-1705c – entdeckt, die von früheren Techniken völlig übersehen worden waren», erklärt Adrien Leleu. Die so entdeckten Planetensysteme sind eine Goldmine für das Wissen über Exoplaneten und insbesondere über Planeten des terrestrischen Typs, die im Allgemeinen schwer zu charakterisieren sind. Die entwickelte Methode ermöglicht es nicht nur, den Radius der Planeten abzuschätzen, sondern liefert auch Informationen über ihre Masse und damit über ihre Dichte und Zusammensetzung. «Der Einsatz von KI, insbesondere von ‚Deep Learning‘ wie in dieser Arbeit, findet in der Astrophysik zunehmend Verbreitung, sei es, um Beobachtungsdaten zu verarbeiten, wie wir es hier getan haben, oder um die Ergebnisse gigantischer numerischer Simulationen zu analysieren, die Terabytes von Daten produzieren. Was wir in dieser Studie entwickelt haben, ist ein neues Beispiel für den fantastischen Beitrag, den diese Techniken für unser Gebiet und wahrscheinlich für alle Forschungsbereiche leisten können», erklärt Yann Alibert, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und wissenschaftlicher Leiter im NFS PlanetS.

Technologie für die Erdbeobachtung
Diese Technik, die sich für die astronomische Beobachtung bewährt hat, kann auch für die Beobachtung der Erde und ihrer Umwelt eingesetzt werden. «Bei der Entwicklung dieser Technologie haben wir schnell erkannt, dass sie auch für andere Probleme eingesetzt werden kann, für die nur wenige Daten zur Verfügung stehen», erklärt Grégory Châtel, Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung bei Disaitek. Mit Hilfe von hochauflösenden Satellitenbildern setzt Disaitek diese KI nun zur Lösung von Umweltproblemen ein, insbesondere zur Erkennung von illegalen Müllablagerungen.

Publikation
A. Leleu, G. Chatel, S. Udry, Y. Alibert, J.-B. Delisle, R. Mardling, Alleviating the transit timing variation bias in transit surveys. I. RIVERS: Method and detection of a pair of resonant super-Earths around Kepler-1705, Astronomy and Astrophysics

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Bern.

30. August 2021 – Seit Jahrtausenden beobachtet die Menschheit die wechselnden Phasen des Mondes. Dabei handelt es sich um das Sonnenlicht, das vom Mond reflektiert wird, während er uns seine verschiedenen «Gesichter» zeigt. Diese Wechsel werden als «Phasenkurve» bezeichnet. Die Messung der Phasenkurven des Mondes und der Planeten des Sonnensystems ist ein alter Zweig der Astronomie, der mindestens ein Jahrhundert zurückreicht. Die Formen der Phasenkurven liefern unter anderem Informationen über die Oberflächen und Atmosphären dieser Himmelskörper, und in der Neuzeit werden die Phasenkurven von Exoplaneten mit Weltraumteleskopen wie Hubble, Spitzer, TESS und CHEOPS gemessen. Diese Beobachtungen werden jeweils mit den theoretischen Vorhersagen abgeglichen. Für diesen Abgleich braucht man eine Möglichkeit, die Phasenkurven zu berechnen, was bedeutet, dass ein schwieriges mathematisches Problem gelöst werden muss.

Lösungsansätze zur Berechnung von Phasenkurven gibt es bereits seit dem 18. Jahrhundert. Der älteste bekannte Lösungsansatz geht auf den Schweizer Mathematiker, Physiker und Astronomen Johann Heinrich Lambert zurück, der das sogenannte «Lambertsche Reflexionsgesetz» verfasste. Das Problem der Berechnung des von den Planeten des Sonnensystems reflektierten Lichts wurde auch vom amerikanischen Astronomen Henry Norris Russell in einer einflussreichen Arbeit von 1916 aufgeworfen. Ein weiterer bekannter Ansatz aus dem Jahr 1981 stammt vom amerikanischen Mondforscher Bruce Hapke, der auf die klassische Arbeit des indisch-amerikanischen Nobelpreisträgers Subrahmanyan Chandrasekhar aus dem Jahr 1960 aufbaute. Der sowjetische Physiker Viktor Sobolev leistete in seinem einflussreichen Lehrbuch von 1975 ebenfalls wichtige Beiträge zur Untersuchung des reflektierten Lichts von Himmelskörpern.

Inspiriert von der Arbeit dieser Wissenschaftler hat der theoretische Astrophysiker Kevin Heng vom Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern eine ganze Familie neuer mathematischer Formeln zur Berechnung von Phasenkurven entdeckt. Die Studie, die Kevin Heng in Zusammenarbeit mit Brett Morris vom Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS, den die Universität Bern gemeinsam mit der Universität Genf leitet, und Daniel Kitzmann vom CSH, verfasst hat, wurde soeben in Nature Astronomy veröffentlicht.

Allgemein anwendbare Formeln

«Ich hatte das Glück, dass bereits umfangreiche Arbeiten von diesen großen Wissenschaftlern geleistet worden waren. Hapke hatte einen einfacheren Weg entdeckt, die klassische Lösung von Chandrasekhar aufzuschreiben, und Sobolev hatte erkannt, dass man das Problem in mindestens zwei mathematischen Koordinatensystemen untersuchen kann.»
Auf das Problem aufmerksam wurde Heng ursprünglich durch eine Zusammenfassung von Sara Seager in ihrem Lehrbuch von 2010. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse konnte Heng die mathematischen Formeln für die Stärke der Reflexion (auch Albedo genannt) und die Form der Phasenkurve niederschreiben, und zwar komplett auf Papier und ohne einen Computer zu benutzen. «Das Bahnbrechende an diesen Lösungen ist, dass sie für jedes Reflexionsgesetz gelten, also sehr allgemein anwendbar sind. Der entscheidende Moment kam für mich, als ich diese Stift-und-Papier-Berechnungen mit dem verglich, was andere Forschende mit Computerberechnungen erreicht hatten. Ich war verblüfft, wie gut sie übereinstimmten», sagt Heng.

Erfolgreiche Analyse der Phasenkurve von Jupiter

«Aufregend finde ich nicht nur die Entdeckung einer neuen Theorie, sondern auch ihre großen Auswirkungen auf die Interpretation von Daten», sagt Heng. So hat zum Beispiel die Raumsonde Cassini Anfang der 2000er Jahre Phasenkurven des Jupiters gemessen, aber eine tiefgreifende Analyse der Daten wurde bisher nicht durchgeführt – wahrscheinlich, weil die Berechnungen zu rechenintensiv waren. Mit seinem neuen Lösungs-Set war Heng in der Lage, die Cassini-Phasenkurven zu analysieren und daraus zu schließen, dass die Atmosphäre des Jupiters mit Wolken gefüllt ist, die aus großen, unregelmäßigen Partikeln von verschiedenen Größen bestehen. Diese parallele Studie wurde in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht, in Zusammenarbeit mit dem Cassini-Datenexperten und Planetenforscher Liming Li von der Universität Houston in Texas, USA.

Neue Möglichkeiten für die Analyse von Daten von Weltraumteleskopen

«Die Möglichkeit, mathematische Lösungen für Phasenkurven von reflektiertem Licht auf Papier zu bringen, bedeutet, dass man damit Daten in Sekundenschnelle analysieren kann», so Heng. Die Formeln eröffnen also neue Wege der Dateninterpretation. Heng arbeitet zusammen mit Pierre Auclair- Desrotour (ehemals CSH, derzeit am Pariser Observatorium) an der weiteren Verallgemeinerung der Formeln. «Pierre Auclair-Desrotour ist ein talentierterer angewandter Mathematiker als ich, und wir werden in naher Zukunft weitere spannende Ergebnisse veröffentlichen», so Heng.

In der Studie in Nature Astronomy demonstrierten Heng und seine Co-Autoren eine neuartige Methode zur Analyse der Phasenkurve des Exoplaneten Kepler-7b vom Kepler-Weltraumteleskop. Brett Morris leitete den Teil der Datenanalyse für die Studie. Heng sagt: «Brett Morris leitet die Datenanalyse für die CHEOPS-Mission in meiner Forschungsgruppe, und sein moderner Data-Science-Ansatz war entscheidend für die erfolgreiche Anwendung der Formeln auf reale Daten». Derzeit arbeiten sie mit Forschenden des amerikanischen Weltraumteleskops TESS zusammen, um die Phasenkurvendaten von TESS zu analysieren. Heng stellt sich vor, das seine Formeln auch zu neuartigen Möglichkeiten der Analyse von Phasenkurvendaten des James Webb Weltraumteleskops JWST, dass 2021 seine Reise ins Weltall antreten soll, führen werden. «Was mich am meisten begeistert, ist, dass diese mathematischen Formeln noch lange nach meinem Tod gültig sein werden und wahrscheinlich ihren Weg in Standard-Lehrbücher finden werden», so Heng abschließend.

Angaben zu den Publikationen

Heng, K., Morris, B.M., & Kitzmann, D., Closed-form ab initio solutions of geometric albedos and reflected light phase curves of exoplanets, Nature Astronomy

Heng, K., & Li, L., Jupiter as an Exoplanet: Insights from Cassini Phase Curves, Astrophysical Journal Letters, Volume 909, Number 2, L20

Erklärvideo mit Kevin Heng

Center for Space and Habitability (CSH)

Die Aufgabe des Center for Space and Habitability (CSH) ist es, den Dialog und die Interaktion zwischen den verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen zu fördern, die sich für die Entstehung, Entdeckung und Charakterisierung anderer Welten innerhalb und außerhalb des Sonnensystems, die Suche nach Leben anderswo im Universum und deren Auswirkungen auf Disziplinen außerhalb der Naturwissenschaften interessieren. Zu den Mitgliedern, Affiliates und Mitarbeitenden gehören Expertinnen und Experten aus der Astronomie, Astrophysik und Astrochemie, Atmosphären-, Klima- und Planetenforschung, Geologie und Geophysik, Biochemie und Philosophie. Das CSH beherbergt die CSH und Bernoulli Fellowships, ein Programm für junge, dynamische und talentierte Forschende aus der ganzen Welt, um unabhängige Forschung zu betreiben. Es führt aktiv eine Reihe von Programmen durch, um die interdisziplinäre Forschung innerhalb der Universität Bern zu stimulieren, einschließlich der Zusammenarbeit und des offenen Dialogs mit Medizin, Philosophie und Theologie. Das CSH hat zudem eine aktive Verbindung mit dem Centre for Exoplanets & Habitability der University of Warwick.

Berner Weltraumforschung: Seit der ersten Mondlandung an der Weltspitze

Als am 21. Juli 1969 Buzz Aldrin als zweiter Mann aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es noch vor der amerikanischen Flagge in den Boden des Mondes. Dieses Solarwind Composition Experiment (SWC), welches von Prof. Dr. Johannes Geiss und seinem Team am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant und ausgewertet wurde, war ein erster großer Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung. Die Berner Weltraumforschung ist seit damals an der Weltspitze mit dabei: Die Universität Bern nimmt regelmäßig an Weltraummissionen der großen Weltraumorganisationen wie ESA, NASA, ROSCOSMOS 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.

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Bern.

Rote Zwerge sind die kühlsten Sterne. Verglichen zur Sonne ist auf Planeten in ihrer Nähe die Existenz von flüssigem Wasser potenziell möglich. Bei der Suche nach bewohnbaren Welten jenseits der Grenzen unseres Sonnensystems ist dies ein großer Vorteil: Denn die Entfernung zwischen einem Exoplaneten und seinem Stern ist ein entscheidender Faktor für seine Entdeckung. Je näher die beiden sind, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass Astronominnen und Astronomen den Planeten von der Erde aus ausfindig machen können.

«Doch diese Sterne sind ziemlich klein und strahlen im Vergleich zu den meisten anderen Sternen, wie etwa der Sonne, wenig Licht aus», erklärt Brice-Olivier Demory, Hauptautor der vorliegenden Studie und Professor für Astrophysik an der Universität Bern. Diese Faktoren machen es schwierig, sie im Detail zu beobachten. Ohne die richtigen Instrumente würden potenzielle Planeten, die sie umkreisen, womöglich übersehen werden – insbesondere erdähnliche Planeten, die vergleichsweise klein sind.

Ein spezielles Teleskop
Ein Instrument, mit dem Rote Zwerge und ihre Planeten genauer studiert werden können, ist das in Mexiko stationierte SAINT-EX-Teleskop, das der NFS PlanetS mitbetreibt. SAINT-EX ist eine Abkürzung, die für Search And characterIsatioN of Transiting EXoplanets steht. Das Projekt wurde zu Ehren von Antoine de Saint-Exupéry (Saint-Ex), dem berühmten Schriftsteller, Dichter und Flieger, benannt. Das SAINT-EX-Observatorium ist eine vollständig robotergestützte Einrichtung mit einem 1-Meter-Teleskop. Es ist mit Sensoren ausgestattet, welche die hochpräzise Detektion von kleinen Planeten um kühle Sterne ermöglichen.

Diese Spezialisierung zahlt sich nun aus: Anfang diesen Jahres konnte das Teleskop zwei Exoplaneten entdecken, die den Stern TOI-1266 umkreisen, der etwa 120 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Ergebnisse, die kürzlich in der Zeitschrift «Astronomy and Astrophysics» veröffentlicht wurden, vermitteln einen ersten Eindruck ihrer Eigenschaften.

Ein merkwürdiges Paar
Im Vergleich zu den Planeten in unserem Sonnensystem befinden sich TOI-1266 b und c viel näher an ihrem Stern – sie benötigen 11 respektive 19 Tage, um ihn zu umkreisen. Da dieser Stern jedoch viel kühler ist als die Sonne, sind ihre Temperaturen nicht sehr extrem: der äußere Planet hat etwa die Temperatur der Venus (obwohl er 7 Mal näher an seinem Stern ist als die Venus an der Sonne).

Die beiden Planeten sind von ähnlicher Dichte, die mit einer Zusammensetzung von einer Hälfte Gesteinsmaterial und Eisen und einer Hälfte Wasser korrespondieren könnte. Damit sind sie etwa halb so felsig wie die Erde oder die Venus, aber auch weit felsiger als Uranus oder Neptun.

In ihrer Größe unterscheiden sich die Planeten deutlich voneinander. Der innere Planet, TOI-1266 b, misst etwas weniger als das Zweieinhalbfache des Erddurchmessers. Damit fällt er in die Kategorie der sogenannten Sub-Neptune. Der äußere Planet, TOI-1266 c, ist etwas mehr als eineinhalbmal so gross wie unser Planet und zählt deshalb zu den sogenannten Super-Erden.

Damit befinden sie sich an den Enden des sogenannten Radius-Tals, wie Brice-Olivier Demory erklärt: «Planeten mit einem Radius zwischen etwa dem von TOI-1266 b und c sind ziemlich selten, wohl wegen starker Strahlung ihres jeweiligen Sterns». Yilen Gómez Maqueo Chew, SAINT-EX Projektkoordinatorin und Forscherin an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko, fügt hinzu: «Die Möglichkeit, zwei verschiedene Arten von Planeten im selben System zu untersuchen, ist eine große Chance. Sie könnte uns helfen besser zu verstehen, wie diese Planeten mit ihren unterschiedlichen Größen entstehen».

Gutes Timing und Hilfe von der Botschaft
Diese Gelegenheit zu haben, insbesondere in diesem Jahr, ist alles andere als selbstverständlich. Die Forschenden hatten das Glück, ihre Beobachtungen kurz vor dem Covid-19-bedingten Lockdown in Mexiko abschliessen zu können. Kurz nach den Beobachtungen musste die Anlage wegen der Folgen der Pandemie geschlossen werden. Dies hat sich bis heute nicht geändert.

Die Forschenden hoffen, den Betrieb von SAINT-EX in den nächsten Monaten wiederaufnehmen und den nächsten Roten Zwerg und dessen potenzielle Planeten ins Visier nehmen zu können. «Hilfreich für unsere Arbeit war zudem die Mexikanische Botschaft, die unsere Anliegen gegenüber der mexikanischen Regierung unterstützt und unser Projekt stets gefördert hat», sagt Demory.

SAINT-EX – Suche und Charakterisierung von Exoplaneten
SAINT-EX (Search and characterisation of exoplanets) ist eine internationale Zusammenarbeit, die im September 2016 in Mexiko startete. Leiter des Projekts ist Prof. Brice-Olivier Demory vom Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern und NCCR PlanetS, Koordinatorin und Leiterin des Projekts in Mexiko ist Dr. Yilen Gomez Maqueo Chew vom Instituto de Astronomía der Universidad Nacional Autonoma de Mexico (UNAM). Ebenfalls am Projekt beteiligt sind Prof. Willy Benz vom NCCR PlanetS, Prof. François Bouchy von der Universität Genf, Dr. Michaël Gillon von der Universität Lüttich in Belgien, Prof. Kevin Heng von der Universität Bern, Prof. Didier Queloz von der Universität Genf und Cambridge und Dr. Laurence Sabin, ebenfalls vom Instituto de Astronomía de Astronomía der UNAM.

SAINT-EX wurde vom Schweizerischen Nationalfonds und den Universitäten Bern, Genf, Lüttich und Cambridge sowie der UNAM finanziert. Zudem hat SAINT-EX Unterstützung erhalten vom Nationalen Rat für Wissenschaft und Technologie (CONACYT) durch die Ausschreibung der Nationalen Laboratorien für das Nationale Astronomische Observatorium von San Pedro Martir.
Projekt-Website der Universität Bern

Publikationsdetails:
Brice-Olivier Demory et al. : A super-Earth and a sub-Neptune orbiting the bright, quiet M3 dwarf TOI-1266, Astronomy & Astrophysics, Volume 642, 2. Oktober 2020.

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Bern.

WASP-121b ist ein Exoplanet, der sich 850 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet und seinen Stern in weniger als zwei Tagen umkreist – ein Prozess, für den die Erde ein Jahr benötigt. WASP-121b liegt sehr nahe an seinem Stern – etwa 40 Mal näher als die Erde an der Sonne. Die unmittelbare Nähe ist auch der Hauptgrund für seine immens hohe Temperatur von etwa 2.500 bis 3.000 Grad Celsius. Das macht ihn zu einem idealen Studienobjekt, um mehr über ultra-heiße Welten zu erfahren.

Forschende um Jens Hoeijmakers, Erstautor der Studie und Postdoktorand am Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS an den Universitäten Bern und Genf, untersuchten Daten, die der hochauflösende HARPS-Spektrograph gesammelt hatte. Sie konnten nachweisen, dass in der Atmosphäre von WASP-121b insgesamt sieben gasförmige Metalle vorkommen. Die Ergebnisse wurden kürzlich vom Journal Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Unerwartet viel los in der Atmosphäre des Exoplaneten WASP-121b
WASP-121b wurde seit seiner Entdeckung bereits ausführlich untersucht. «Die früheren Studien zeigten, dass in seiner Atmosphäre viel los ist», erklärt Jens Hoeijmakers. Und dies obwohl Astronominnen und Astronomen davon ausgegangen waren, dass ultra-heiße Planeten eher simple Atmosphären haben, weil sich bei solch glühender Hitze nicht viele komplexe chemische Verbindungen bilden können. Wie kommt es auf WASP-121b also zu dieser unerwarteten Komplexität?

«Frühere Studien versuchten, diese komplexen Beobachtungen mit Theorien zu erklären, die mir nicht plausibel erschienen», sagt Hoeijmakers. Die Studien hatten nämlich Moleküle, die das relativ seltene Metall Vanadium enthalten, als Hauptursache für die komplexe Atmosphäre bei WASP-121b vermutet. Nach Hoeijmakers’ Ansicht wäre dies jedoch nur möglich, wenn ein häufiger vorkommendes Metall, nämlich Titan, in der Atmosphäre fehlen würde. Also machten sich Hoeijmakers und seine Kollegeinnen und Kollegen auf die Suche nach einer anderen Erklärung. «Aber es stellte sich heraus, dass sie Recht gehabt hatten», gibt Hoeijmakers unumwunden zu. «Zu meiner Überraschung fanden wir in den Beobachtungen tatsächlich starke Signaturen von Vanadium.» Gleichzeitig fehlte aber Titan. Dies wiederum bestätigte Hoeijmakers Annahme.

Verdampfte Metalle
Doch das Team machte weitere, unerwartete Entdeckungen. Sie fanden neben Vanadium sechs weitere Metalle in der Atmosphäre von WASP-121b, die bislang unentdeckt geblieben waren: Eisen, Chrom, Kalzium, Natrium, Magnesium und Nickel. «Sämtliche Metalle verdampften infolge der hohen Temperaturen, die auf WASP-121b herrschen», erklärt Hoeijmakers, «und sorgen so dafür, dass die Luft auf dem Exoplaneten unter anderem aus verdampften Metallen besteht».

Eine neue Ära in der Exoplanetenforschung
Solche detaillierten Ergebnisse erlauben es den Forschenden beispielsweise auf die chemischen Prozesse zu schließen, die auf solchen Planeten ablaufen. Eine entscheidende Fähigkeit für die nicht allzu ferne Zukunft, wenn größere, empfindlichere Teleskope und Spektrographen entwickelt werden. Diese werden es den Astronomen erlauben, die Eigenschaften kleinerer, kühlerer Gesteinsplaneten, die der Erde ähnlich sind, zu erörtern. «Mit den gleichen Techniken, die wir heute nutzen, werden wir statt nur Signaturen von gasförmigem Eisen oder Vanadium zu detektieren, in der Lage sein, uns auf Biosignaturen zu fokussieren, also auf Anzeichen für Leben wie die Signaturen von Wasser, Sauerstoff und Methan», so Hoeijmakers.

Die umfangreichen Erkenntnisse zur Atmosphäre von WASP- 121b bestätigen nicht nur den ultra-heißen Charakter des Exoplaneten, sondern unterstreichen auch die Tatsache, dass dieses Forschungsgebiet in eine neue Ära eintritt, wie Hoeijmakers es ausdrückt: «Nachdem wir jahrelang katalogisiert haben, was es da draußen gibt, nehmen wir nun nicht mehr nur Messungen vor», erklärt der Forscher, «sondern wir beginnen wirklich zu verstehen, was die Daten der Instrumente uns zeigen. Wie Planeten einander ähneln und sich voneinander unterscheiden. Ähnlich vielleicht, wie Charles Darwin nach der Charakterisierung unzähliger Tierarten begann, die Evolutionstheorie zu entwickeln, beginnen wir mehr darüber zu verstehen, wie diese Exoplaneten entstanden sind und wie sie funktionieren».

Angaben zur Publikation:
H. J. Hoeijmakers et al.: Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) – IV. A spectral inventory of atoms and molecules in the high-resolution transmission spectrum of WASP-121 b, Astronomy & Astrophysics, 18.09.2020 DOI https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038365

Exoplanetenforschrung mit dem HARPS-Spektrographen
Der HARPS-Spektorgraph ist in der Lage, das schwache Licht, das von fernen Planeten kommt, mit erstaunlicher Präzision zu erfassen. Jens Hoeijmakers erklärt: «Die Atome in der Atmosphäre des Exoplaneten absorbieren jeweils einen Teil des Lichts des Sterns. Jedes Atom hat so quasi einen einzigartigen Fingerabdruck der Farben, die es absorbiert.» Diese Fingerabdrücke können mit einem empfindlichen Spektrografen wie HARPS gemessen und daraus die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre von Exoplaneten abgeleitet werden, auch wenn sie viele Lichtjahre entfernt sind.

Der HARPS-Spektorgraph wurde unter der Leitung des Genfer Observatoriums von einem Konsortium entwickelt, dem auch das Observatoire de Haute-Provence, das Physikalische Institut der Universität Bern und der Service d’Aéronomie, Paris, angehörten.

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Quelle: ESA.

Cheops – kurz für Characterising Exoplanet Satellite – startete im Dezember 2019 und soll nahegelegene Sterne, von denen bekannt ist, dass Planeten zu ihnen gehören, beobachten. Durch die ultrapräzise Vermessung der Veränderungen der Lichtmengen, die von diesen Systemen ausgehen, während die Planeten ihre Sterne umkreisen, kann Cheops eine erste Charakterisierung dieser Planeten durchführen – und so unser Verständnis darüber, wie sie entstehen und sich entwickeln, verbessern.

Der neue Fund betrifft einen sogenannten „ultraheißen Jupiter“ mit dem Namen WASP-189 b. Heiße Jupiter sind, wie ihre Bezeichnung schon verrät, gigantische Gasplaneten, die dem Jupiter in unserem Sonnensystem ähneln. Allerdings umkreisen sie ihren jeweiligen Heimatstern in viel geringerer Entfernung, wodurch sie extreme Temperaturen aufweisen.

WASP-189 b umkreist seinen Stern 20 Mal näher als die Erde die Sonne. Für einen kompletten Umlauf benötigt er lediglich 2,7 Tage. Sein Heimatstern ist größer und über 2.000 Grad heißer als die Sonne, weshalb er scheinbar blau glüht. „Wir wissen nur von einer Handvoll Planeten, die um so heiße Sterne herum kreisen. Dazu ist dieses System mit Abstand das hellste uns bekannte“, sagt Monika Lendl von der Universität Genf in der Schweiz, Hauptautorin der neuen Studie. „Außerdem ist WASP-189 b der hellste heiße Jupiter, den wir beobachten können, während er sich vor oder hinter seinem Stern befindet. Das macht das gesamte System extrem faszinierend.“

Zuerst haben Lendl und ihre Kollegen Cheops genutzt, um WASP-189 b bei einer Okkultation, also dabei zu beobachten, wie der Planet hinter seinem Heimatstern vorbeizieht. „Da der Planet so hell ist, nimmt die Lichtmenge dieses Systems tatsächlich spürbar ab, wenn er kurz aus dem Blickfeld verschwindet“, erklärt Lendl. „Wir haben diese Beobachtung genutzt, um die Helligkeit des Planeten zu bestimmen und konnten seine Temperatur auf glühend heiße 3200 °C einschränken.“

Dies macht WASP-189 b zu einem der heißesten und extremsten Planeten, was ihn damit von sämtlichen Planeten des Sonnensystems unterscheidet. Bei so hohen Temperaturen schmelzen sogar Metalle wie Eisen und werden zu Gas. Damit ist der Planet zweifelsohne unbewohnbar.

Als Nächstes beobachtete Cheops WASP-189 b dabei, wie er vor seinem Stern vorbeizog, also einen sogenannten Transit. Transite können Aufschluss über die Größe, Form und die Umlaufbahn eines Planeten geben – so auch bei WASP-189 b, für den festgestellt wurde, dass er größer ist als erwartet. Sein Radius ist fast 1,6 Mal so groß wie der des Jupiters.

„Wir haben auch herausgefunden, dass der Stern selbst sehr interessant ist. Er hat keine vollkommen perfekte runde Form, sondern ist größer und gleichzeitig kälter am Äquator als an den Polen, wodurch die Pole des Sterns heller erscheinen“, fährt Lendl fort. „Er dreht sich so schnell um sich selbst, dass er am Äquator nach außen gezogen wird! Zu dieser Asymmetrie kommt hinzu, dass der Orbit von WASP-189 b geneigt ist – er umkreist den Stern nicht an dessen Äquator, sondern näher an den Polen.“

Solch eine geneigte Umlaufbahn fügt dem Rätsel um die Entstehung heißer Jupiter ein weiteres Fragezeichen hinzu. Damit die Umlaufbahn eines Planeten eine derartige Neigung aufweist, muss dieser weiter außerhalb entstanden und dann nach innen gedrückt worden sein. Man geht davon aus, dass solch ein Prozess entsteht, wenn mehrere Planeten innerhalb eines Systems um ihre Positionen rangeln oder wenn ein äußerer Einfluss, zum Beispiel ein anderer Stern, das System stört und die Gasgiganten so in Richtung ihres jeweiligen Sterns und auf sehr kurze, stark geneigte Orbits drückt. „Da wir mit Cheops eine solche Neigung gemessen haben, liegt es nahe, dass WASP-189 b in der Vergangenheit derartigen Interaktionen ausgesetzt war“, fügt Lendl hinzu.

Lendl und ihre Kollegen haben Cheops hochpräzise Beobachtungen und optischen Fähigkeiten genutzt, um die Geheimnisse von WASP-189 b zu lüften. Cheops hat im Januar dieses Jahres „seine Augen aufgeschlagen“ und im April den regulären wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen. Seitdem trägt Cheops dazu bei, unser Wissen über Exoplaneten und den nahe gelegenen Kosmos zu verbessern.

„Die ersten Ergebnisse von Cheops sind wahnsinnig aufregend und beweisen eindeutig, dass die Mission hält, was wir uns von ihr in Sachen Präzision und Leistung versprochen haben“, sagt Kate Isaak, ESA-Projektwissenschaftlerin für Cheops.

In den vergangenen 25 Jahren wurden Tausende Exoplaneten entdeckt. Die allermeisten von ihnen haben keine jeweilige Entsprechung in unserem Sonnensystem. Derzeitige und zukünftige vom Boden durchgeführte Beobachtungen und Weltraummissionen werden diese Anzahl noch erheblich erhöhen.

„Cheops spielt eine einzigartige Rolle bei der genaueren Untersuchung von solchen Exoplaneten“, so Isaak weiter. „Das Weltraumteleskop wird nach Transiten von Planeten, die von der Erde aus entdeckt worden sind, suchen und, wo immer möglich, die Größen der Planeten genauer messen, von denen bereits bekannt ist, dass sie vor ihren Heimatsternen vorbeiziehen. Indem wir mit Cheops Exoplaneten in ihren Umlaufbahnen verfolgen, können wir eine erste Charakterisierung ihrer Atmosphären durchführen und das Vorhandensein etwaiger Wolken sowie ihrer Eigenschaften bestimmen.“

In den nächsten Jahren wird Cheops Hunderte bekannter Planeten auf ihren Orbits um ihre hellen Heimatsterne verfolgen und dafür auf die Erfahrung mit WASP-189 b aufbauen und sie erweitern. Die Mission ist die erste einer Serie von drei ESA-Wissenschaftsmissionen zum Auffinden und Charakterisieren von Exoplaneten. Darüber hinaus birgt sie ein erhebliches Potenzial für weitere Entdeckungen – vom Identifizieren von primären Zielen für zukünftige Missionen, die die Atmosphären von Exoplaneten untersuchen werden, bis hin zum Suchen nach neuen Planeten und extrasolaren Monden.

„Cheops wird nicht nur unser Wissen über Exoplaneten vertiefen“, sagt Isaak, „sondern auch das Wissen über unseren Heimatplaneten, unser Sonnensystem und die weitere kosmische Umgebung.“

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Ein Beitrag von Gertrud Felber und Günther Glatzel. Quelle: University Hawaii, DLF.

Auf der Basis von Daten des Kepler-Weltraumteleskops der NASA haben Schweizer Astronomen der Universität Genf um Dr. Francesco Pepe am Roque de los Muchachos Observatorium auf La Palma und US-Kollegen um Dr. Andrew Howard vom Institut für Astronomie der Universität Hawaii mit dem Zehn-Meter-Keck-I-Teleskop unabhängig voneinander herausgefunden, dass der Planet Kepler-78b in Größe, Masse und Zusammensetzung erdähnlich sein muss.
Dazu verwendeten beide Teams die Radialgeschwindigkeitsmethode. Bei dieser wird das vom Stern kommende Licht spektometrisch analysiert. Ein einen Stern umlaufender Planet verursacht eine kleine Kreisbewegung des Sterns durch die Schwerkraft des Planeten. Dabei nähert sich uns der Stern geringfügig, wenn sich der Planet auf unserer Seite des Sterns befindet. Andernfalls wird der Stern ein wenig von uns weg gezogen. Wie bei einem Fahrzeug das Motorgeräusch, verändern sich dabei die Frequenzen des ausgesandten Lichts. Die Frequenzen sind etwas höher, wenn der Stern auf uns zu kommt, entsprechend tiefer, wenn er sich von uns entfernt. Dieses Phänomen nennt man auch Doppler-Effekt.

Normalerweise kann man mit dieser Methode nur eine Untergrenze für die Masse angeben. Nur dann, wenn der Planet genau zwischen uns und seinem Stern hindurch fliegt, weist die Kraft, mit der der Planet zieht, präzise in unsere Richtung und wir sehen im Spektrum die maximalen Auswirkungen. Dies ist aber hier der Fall, da der Planet zuvor mit Hilfe der Transitmethode aus Daten des Weltraumteleskops Kepler entdeckt wurde. Kepler misst, wie stark das Licht eines Sterns durch einen vorbeiziehenden Planeten verdunkelt wird. Daraus lässt sich der Durchmesser des Planeten ermitteln. Die Umlaufzeit ergibt sich aus der Periode, in der sich die Bedeckungsereignisse wiederholen. Aus der Masse des Sterns, die sich aus der Spektralklasse, der Scheinbaren Helligkeit und der Entfernung ergibt, kann man den Bahnradius ermitteln. Die Masse des Planeten ist mit der Transitmethode aber nicht berechenbar.

Kepler 78b umläuft seinen Stern auf einer sehr engen Bahn alle 8,5 Stunden und ist damit viel zu heiß, um Leben zu unterstützen. Das Team um Dr. Andrew Howard konnte mit dem Zehn-Meter-Teleskop auf Hawaii in dem der High-Resolution Echelle Spectrometer (HIRES) eingebaut ist, das minimale Taumeln des Stern beim Umlauf des Planeten messen. Nach den Aussagen der Forscher kann man aus der Größe und Masse eines Objektes die Dichte berechnen und auf die Zusammensetzung schließen. Der Exoplanet Kepler 78b verfügt über den 1,2-fachen Radius die 1,7-fache Masse der Erde. Damit gleicht sie der der Erde, was darauf hin deutet, dass Kepler 78b auch felsartiges Material um einen Eisenkern besitzt. Der sonnenähnliche G-Stern von Kepler 78b ist etwas kleiner und weniger massiv als unsere Sonne, befindet sich im Sternbild Schwan und ist etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die zweite Studie von Dr. Francesco Pepe verwendete die gleichen Daten des Weltraumteleskops Kepler und kam unabhängig zu einem ähnlichen Ergebnis: der Platen beitzt die 1,86-fache Masse der Erde.

Kepler 78b ist der erste Vertreter einer neuen Klasse von Planeten, die ihren Stern in einer ultrakurzen Zeit, weniger als 12 Stunden, umlaufen. Und er ist der erste Planet dieser neuen Klasse, dessen Masse gemessen wurde. Bisher ist es den Wissenschaftlern ein Rätsel, wie sich ein derartiger Planet gebildet haben könnte und wodurch er sich so dicht an seinem Stern befindet, nur etwa 1 Prozent des Abstandes der Erde zur Sonne. Es wird angenommen, dass der Planet in größerer Entfernung vom Stern entstand und durch die Wirkung der Gravitation herangezogen wurde. Nun herrschen an der Oberfläche Temperaturen über 2.000°C. Der Stern selbst hat eine Rotationsdauer von 12,5 Tagen, wie bei dem Messungen durch das Vorbeiziehen von Sonnenflecken ermittelt werden konnte.

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• Thema Exoplaneten ab 31. Oktober 2013

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