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Erste Messung der Tageslänge eines Exoplaneten

02.05.2014

Das VLT bestimmt die Rotation von Beta Pictoris b

Astronomen konnten anhand von Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO erstmals die Rotationsdauer eines Exoplaneten bestimmen. Wie sich herausgestellt hat, dauert ein Tag auf Beta Pictoris b nur acht Stunden. Er dreht sich viel schneller als jeder Planet im Sonnensystem – mit einer Geschwindigkeit von fast 100.000 Kilometern pro Stunde am Äquator. Dieses neue Ergebnis erweitert die Relation zwischen Masse und Rotation, die in unserem Sonnensystem beobachtet wird, auf Exoplaneten. Ähnliche Methoden werden es Astronomen in der Zukunft erlauben, Exoplaneten mit dem European Extremely Large Telescope (E-ELT) detailliert zu kartieren.


Abbildung eso1414a

Künstlerische Darstellung des Planeten Beta Pictoris b

Der Exoplanet Beta Pictoris b umkreist den mit bloßem Auge sichtbaren Stern Beta Pictoris [1], [2], der sich etwa 63 Lichtjahre von der Erde entfernt im südlichen  Sternbild Pictor (Der Maler) befindet. Dieser Planet wurde vor fast sechs Jahren entdeckt und ist einer der ersten Exoplaneten, die direkt abgebildet werden konnten. Er umkreist seinen Mutterstern in einem Abstand von nur dem Achtfachen der Strecke Erde-Sonne (siehe eso1024) – das macht ihn unter den Planeten, die direkt abgebildet wurden, zu demjenigen, der am nächsten an seinem Stern liegt [3].

Mit dem CRIRES-Instrument am VLT hat ein Team niederländischer Astronomen an der Universität Leiden und am Netherlands Institute for Space Research (SRON) nun herausgefunden, dass die Rotationsgeschwindigkeit am Äquator des Exoplaneten Beta Pictoris b fast 100.000 Kilometer pro Stunde beträgt. Zum Vergleich: Der Jupiter bewegt sich am Äquator mit ungefähr 47.000 Kilometern pro Stunde, während die Rotationsgeschwindigkeit der Erde am Äquator nur 1700 Kilometer pro Stunde beträgt [5]. Beta Pictoris b ist mehr als 16 mal so groß und 3000 mal so schwer wie die Erde, allerdings dauert ein Tag auf diesem Planeten nur 8 Stunden.

„Es ist nicht bekannt, warum sich manche Planeten schnell und manche langsamer drehen”, erläutert Ko-Autor Remco de Kok, „aber diese erste Messung der Rotation eines Exoplaneten zeigt, dass der im Sonnensystem beobachtete Trend, nach dem schwerere Planeten sich auch schneller drehen, auch auf Exoplaneten zutrifft. Es muss sich dabei um eine universelle Auswirkung des Prozesses der Planetenentstehung handeln.”

Beta Pictoris b ist (verglichen mit dem Alter der Erde von 4.5 Milliarden Jahren) ein sehr junger Planet mit einem Alter von nur 20 Millionen Jahren [6]. Man geht davon aus, dass der Exoplanet mit der Zeit abkühlen und schrumpfen wird, wodurch er nur noch schneller rotieren wird [7]. Allerdings könnten auch andere Prozesse im Spiel sein, die die Rotation des Planeten beeinflussen. Die Rotation der Erde beispielsweise, wird durch Gezeitenkräfte verlangsamt, die der Mond ausübt.

Die Astronomen nutzten eine präzise Methode namens hochdispersive Spektroskopie, um die verschiedenen Wellenlängen des Lichtspektrums des Planeten zu trennen. Das Prinzip des Dopplereffekts (oder der Dopplerverschiebung) erlaubte es ihnen, durch die Änderung der Wellenlänge zu erkennen, dass sich verschiedenen Teile des Planeten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in entgegengesetzter Richtung relativ zum Beobachter bewegen. Indem sie sehr sorgfältig die Effekte des sehr viel helleren Zentralgestirns entfernten, war es ihnen möglich die Rotationssignatur des Planeten zu extrahieren.

„Wir haben die Wellenlänge der Strahlung, die vom Planeten ausgeht, mit einer Präzision von 1 zu 100.000 gemessen. Dadurch wird die Messung empfindlich für den Dopplereffekt, der die Bestimmung der Geschwindigkeit eines strahlenden Objekts erlaubt," erläutert Ingas Snellen, der Erstautor des Fachartikels. „Mit Hilfe dieser Methode sehen wir, dass sich verschiedene Teile der Planetenoberfläche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf uns zu oder von uns weg bewegen. Das kann nur bedeuten, dass der Planet um seine Achse rotiert.”

Diese Methode ist eng mit der Doppler-Bildgebung verwandt, die seit mehreren Jahrzehnten verwendet wird, um die Oberfläche von Sternen und kürzlich auch von einem Braunen Zwerg [8] – Luhman 16B (eso1404) – zu kartieren. Die schnelle Rotation von Beta Pictoris b bedeutet, dass es in der Zukunft möglich sein wird, eine globale Karte des Planeten zu erstellen, die möglicherweise auftretende Wolkenstrukturen und Stürme zeigen könnte.

„Diese Methode kann mit der hervorragenden Auflösung und Empfindlichkeit des E-ELT und einem bildgebenden Hochdispersions-Spektrografen auf eine viel größere Auswahl an Exoplaneten angewendet werden. Mit dem geplanten Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph (METIS) wird es uns mit dieser Methode möglich sein, globale Karten von Exoplaneten anzufertigen und sehr viel kleinere Planeten als Beta Pictoris b zu charakterisieren”, ergänzt Bernhard Brandl, METIS-Projektleiter und Ko-Autor des neuen Fachartikels.

Endnoten

[1] Beta Pictoris hat viele weitere Bezeichnungen, z.B. HD 39060, SAO 234134 und HIP 27321.

[2] Beta Pictoris ist eines der bekanntesten Beispiele für einen Stern, der von einer staubigen Trümmerscheibe umgeben ist. Es ist mittlerweile bekannt, dass sich diese Scheibe über eine Strecke des 1000-fachen Abstandes zwischen Erde und Sonne erstreckt. Über frühere Beobachtungen des Planeten von Beta Pictoris wurde in eso0842, eso1024 und eso1408 berichtet.

[3] Die Beobachtungen basieren auf der Technik der Adaptiven Optik. Diese Methode kompensiert die Bildverzerrung durch atmosphärische Turbulenzen auf der Erde, die selbst an den besten Teleskopstandorten auf der Welt auftreten können. Sie erlaubt es Astronomen extrem scharfe Aufnahmen zu machen, die fast die Qualität von Aufnahmen, die im Weltall erstellt werden, erreichen.

[4] Da Jupiter keine feste Oberfläche besitzt, durch die sich die Rotationsrate des Planeten ermitteln ließe, wird die Rotationsgeschwindigkeit der äquatorialen Atmosphäre verwendet, die 47.000 Kilometer pro Stunde beträgt.

[5] Die Rotationsgeschwindigkeit der Erde am Äquator beträgt 1674.4 Kilometer pro Stunde.

[6] Frühere Messungen deuteten darauf hin, dass das System jünger war.

[7] Dies ist ein Folge der Drehimpulserhaltung. Derselbe Effekt kann bei einer Eisläuferin beobachtet werden, die sich schneller dreht, wenn sie ihre Arme näher an ihren Körper zieht.

[8] Braune Zwerge werden auch häufig als „gescheiterte Sterne” bezeichnet, da sie im Gegensatz zu Sternen wie der Sonne nie heiß genug werden, um Kernfusionsreaktionen zu zünden.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen am 1. Mai 2014 unter dem Titel „Fast spin of a young extrasolar planet" von I. Snellen et al. in der Fachzeitschrift Nature.

Die Mitglieder der Forschungsgruppe sind Ignas A. G. Snellen (Sterrewacht Leiden, Universität Leiden, Niederlande), Bernhard Brandl (Sterrewacht Leiden), Remco J. de Kok (SRON Netherlands Institute for Space Research, Utrecht, Niederlande), Matteo Brogi (Sterrewacht Leiden), Jayne Birkby (Sterrewacht Leiden) und Henriette Schwarz (Sterrewacht Leiden).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner bei den neuartigen Teleskopverbund ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

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

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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1414.

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