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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Quelle: Universität Bern.

11. Januar 2022 – An Küsten bestimmen die Gezeiten den Rhythmus des Geschehens. Bei Ebbe bleiben Boote auf dem Land sitzen, bei Flut wird der Weg aufs Meer für sie wieder frei. Erzeugt werden die Gezeiten auf der Erde in erster Linie durch den Mond. Seine Anziehungskraft bewirkt in der darunterliegenden Ozeanregion eine Anhäufung von Wasser – den Flutberg –, welches dann in umliegenden Regionen fehlt und so die Ebbe ausmacht. Obwohl diese Verformung des Ozeans vielerorts markante Pegelunterschiede ausmacht, ist sie vom Weltraum aus kaum erkennbar.

Auf dem Planeten WASP-103b sind die Gezeiten sehr viel extremer. Der Planet umkreist seinen Stern in nur einem Tag und wird durch die starken Gezeiten so sehr verformt, dass seine Erscheinung an einen Rugbyball erinnert. Dies zeigt eine neue Studie mit Beteiligung von Forschenden der Universitäten Bern und Genf sowie dem Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS, die heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. Diese Erkenntnis wurde möglich dank Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop CHEOPS. CHEOPS ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Schweiz, unter der Leitung der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der Universität Genf.

Eine bahnbrechende Messung
Der Planet WASP-103b befindet sich im Sternbild Herkules, ist fast doppelt so groß ist wie Jupiter, hat seine eineinhalbfache Masse und ist seinem Stern etwa fünfzigmal näher als die Erde der Sonne. «Wegen seiner großen Nähe zu seinem Stern hatten wir bereits vermutet, dass auf dem Planeten sehr große Gezeiten verursacht werden. Nachweisen konnten wir das bisher jedoch nicht», erklärt Studienmitautor Yann Alibert, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS.

Zwar hatten bereits das ESA/NASA Hubble-Weltraumteleskop und auch das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA den Planeten beobachtet. Kombiniert mit der hohen Präzision und flexiblen Ausrichtung von CHEOPS, ermöglichten diese Beobachtungen den Forschenden, das winzige Signal der Gezeitendeformation des Lichtjahre entfernten Planeten zu messen. Dabei machten sie sich zunutze, dass der Planet das Licht des Sterns jeweils etwas abdunkelt, wenn er davor vorbeizieht. «Nachdem wir mehrere solche sogenannten ‘Transits’ beobachtet hatten, waren wir in der Lage die Verformung zu messen. Es ist unglaublich, dass uns dies gelungen ist – es das erste Mal, dass eine solche Analyse durchgeführt wurde», berichtet Mitautor der Studie Babatunde Akinsanmi, der an der Universität Genf forscht und dem NFS PlanetS angegliedert ist.

Der Planet ist aufgebläht
Die Ergebnisse der Forschenden lassen nicht nur Rückschlüsse auf die Form des Planeten zu, sondern auch auf sein Inneres. Denn das Team konnte aus der Transitlichtkurve von WASP-103b auch einen Parameter – die sogenannte «Love-Zahl», benannt nach dem britischen Mathematiker Augustus E. H. Love – ableiten. Dieser gibt an, wie die Masse innerhalb des Planeten verteilt ist und gibt damit auch Hinweise auf die innere Struktur. «Der Widerstand eines Materials gegen Verformung hängt von seiner Zusammensetzung ab», erklärt Akinsanmi. «Die Gezeiten auf der Erde können wir nur in den Ozeanen sehen. Der felsige Teil bewegt sich nicht so stark. Indem wir messen, wie stark der Planet verformt ist, können wir deshalb feststellen, wie viel von ihm aus Gestein, Gas oder Wasser besteht».

Die Love-Zahl von WASP-103b ist ähnlich jener des Jupiters, dem Gasriesen unseres Sonnensystems, was darauf schliessen lässt, dass die innere Struktur ähnlich ist – obwohl WASP- 103b den doppelten Radius hat. «Im Prinzip würden wir erwarten, dass ein Planet mit der 1,5-fachen Masse des Jupiters in etwa die gleiche Größe hat. Daher muss WASP-103b aufgrund der Erwärmung durch seinen Stern und vielleicht auch durch andere Mechanismen stark aufgebläht sein», sagt Co-Autorin der Studie Monika Lendl, Professorin für Astronomie an der Universität Genf und Mitglied des NFS PlanetS.

Da die Messunsicherheit bei der Love-Zahl allerdings noch recht hoch ist, werden künftige Beobachtungen mit CHEOPS und dem James-Webb-Weltraumteleskop nötig sein, um die Details der Gezeitenverformung und inneren Struktur von WASP-103b und vergleichbarer Exoplaneten zu entschlüsseln. «Das würde unser Verständnis dieser sogenannten ‘heissen Jupiter’ verbessern und einen besseren Vergleich zwischen diesen und Riesenplaneten im Sonnensystem ermöglichen», so Lendl abschließend.

Angaben zur Publikation:
Cheops reveals the tidal deformation of WASP-103b’ by S.C.C. Barros et al. (2021) is published in Astronomy & Astrophysics. DOI: Detection of the tidal deformation of WASP-103b at 3 σ with CHEOPS

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