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Erstes Spektrum eines Exoplaneten im sichtbaren Licht

22.04.2015

Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte (Garching) - Astronomen ist es mit dem Exoplanetenjäger HARPS am La Silla-Observatorium der ESO in Chile erstmals gelungen, das Spektrum, das von einem Exoplaneten reflektiert wurde, im sichtbaren Licht nachzuweisen.

Diese Beobachtungen brachten auch neue Eigenschaften des untersuchten Exoplaneten zum Vorschein - 51 Pegasi b, der erste Exoplanet, der um einen normalen Stern entdeckt wurde. Die Ergebnisse sind wegweisend für die Zukunft dieser Technik, insbesondere in Hinblick auf die Einführung von Instrumenten der nächsten Generation am VLT, wie beispielsweise ESPRESSO, und zukünftigen Teleskopen wie dem E-ELT.


Künstlerische Darstellung des Exoplaneten 51 Pegasi b.

Bild: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

Der Exoplanet 51 Pegasi b [1] befindet sich etwa 50 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Pegasus. Entdeckt wurde er 1995 und wird für immer als der erste Exoplanet um einen gewöhnlichen Stern in Erinnerung bleiben, dessen Entdeckung auch bestätigt werden konnte [2]. Er wird auch als archetypischer Heißer Jupiter betrachtet – eine Art von Planeten, von denen man weiß, dass sie relativ häufig auftreten. Sie gleichen Jupiter in Größe und Masse, ihre Umlaufbahnen liegen allerdings viel näher an ihrem Mutterstern.

Seit dieser bedeutenden Entdeckung konnten mehr als 1900 Exoplaneten in 1200 Planetensystem nachgewiesen werden, aber exakt 20 Jahre nach seiner Entdeckung kehrt 51 Pegasi b einmal mehr ins Rampenlicht zurück und liefert einen weiteren Schritt nach vorne in der Untersuchung von Exoplaneten.

Das Team, dem die Entdeckung gelungen ist, wurde von Jorge Martins vom Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) und der Universidade do Porto in Portugal geleitet, der zurzeit als Doktorand bei der ESO in Chile ist. Sie nutzten das HARPS-Instrument am 3,6-Meter-Teleskop der ESO am La Silla-Observatorium in Chile.

Die derzeit am weitesten verbreitete Methode, die Atmosphäre eines Exoplaneten zu untersuchen, beruht auf der Beobachtung des Spektrums des Muttersterns während des Vorübergangs des Planeten vor dem Stern. Dabei durchläuft ein kleiner Teil des Sternlichts die Atmosphäre des Planeten und wird dabei gefiltert – eine Technik, die man als Absorptionsspektroskopie bezeichnet. Eine alternative Vorgehensweise stellt die Beobachtung des Systems während der Bedeckung des Planeten durch den Stern dar, was in erster Linie Informationen über die Temperatur des Exoplaneten liefert.

Die neue Technik hängt nicht davon ab, ob es von der Erde aus gesehen zu einem Transit kommt, so dass man deutlich mehr Exoplaneten damit untersuchen könnte. Sie ermöglicht die Untersuchung des Spektrums des Planeten direkt im sichtbaren Licht, was bedeutet, dass daraus verschiedene Eigenschaften des Planeten abgeleitet werden können, die mit anderen Methoden nicht nachweisbar sind.

Dabei wird das Sternspektrum als Vorlage für die Suche nach einer abgeschwächten Version desselben Signals verwendet, das von Sternlicht stammt, das vom Planeten reflektiert wird. Aufgrund der Bewegung des Planeten auf seiner Umlaufbahn verschieben sich die spektralen Signaturen des reflektierten Lichts relativ zum Stern. Die Messung deses Effekts ist eine eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe, da die Planeten im Vergleich zum gleißend hellen Mutterstern sehr lichtschwach sind.

Das Signal vom Planeten wird außerdem leicht durch andere winzig kleine Effekte und Rauschquellen überlagert [3]. Angesichts derartiger Hürden ist die erfolgreiche Beobachtung dieses Effekts in den HARPS-Daten von 51 Pegasi b ein hervorragender Nachweis dafür, dass die Methode funktioniert.

Jorge Martins erklärt: „Diese Art des Nachweises ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung, da sie es möglich macht, die reale Masse des Planeten und die Neigung seiner Umlaufbahn zu bestimmen, was für das tiefere Verständnis des Systems unerlässlich ist. Es ermöglicht uns auch den Reflektionsgrad, die sogenannte Albedo, des Planeten abzuschätzen, woraus man wiederum die Zusammensetzung sowohl der Planetenoberfläche als auch der Atmosphäre ableiten kann.“

Wie sich herausstellte, hat 51 Pegasi b eine Masse von etwa der Hälfte der des Jupiter und eine Bahnneigung von etwa neun Grad in Richtung der Erde [4]. Außerdem scheint der Planet im Durchmesser größer als Jupiter und stark reflektierend zu sein. Dies sind typische Eigenschaften für einen Heißen Jupiter, der sich sehr nah an seinem Mutterstern befindet und viel Sternlicht ausgesetzt ist.

HARPS war für die Arbeit des Teams unentbehrlich, aber die Tatsache, dass dieses Ergebnis mit dem 3,6-Meter-Teleskop der ESO gewonnen wurde, das bei dieser Technik nur einen beschränkten Anwendungsbereich hat, stellt für Astronomen eine aufregende Neuigkeit dar, die die zur Zeit existierenden Instrumentenkonfigurationen werden in Kürze von deutlich leistungsfähigeren Instrumenten an größeren Teleskopen, wie dem Very Large Telescope der ESO und dem zukünftigen European Extremely Large Telescope, übertroffen werden [5].

„Wir erwarten jetzt sehnlichst erstes Licht des ESPRESSO-Spektrografen am VLT, so dass wir genauere Untersuchungen von diesem und anderen Planetensystemen anstellen können“, fasst Nuno Santos vom IA und der Universidade do Porto, einer der Koautoren der neuen Arbeit, abschließend zusammen.

Endnoten

[1] Sowohl 51 Pegasi b, als auch sein Mutterstern 51 Pegasi befinden sich unter den Objekten, die im NameExoWorlds-Wettbewerb der IAU für eine Namensfindung durch die Öffentlichkeit ausgeschrieben sind.

[2] Vorher wurden zwei planetare Objekte entdeckt, deren Umlaufbahnen die in der extremen Umgebung eines Pulsars liegen.

[3] Die Herausforderung ist damit vergleichbar, zu versuchen, das schwache Schimmern zu untersuchen, das von einem winzig kleinen Insekt reflektiert wird, das um ein entferntes helles Licht fliegt.

[4] Die Planetenbahn liegt von der Erde aus gesehen also fast auf der Seite, es finden aber ganz knapp keine gegenseitigen Bedeckungen statt.

[5] ESPRESSO am VLT und später noch leistungsfähigere Instrumente an deutlich größeren Teleskopen wie dem E-ELT werden mit deutlich mehr Präzision bei gesteigerter Lichtsammelleistung sowohl die Entdeckung kleinerer Exoplaneten vereinfachen als auch mehr Details über Planeten wie 51 Pegasi b liefern.

Zusatzinformationen

Die hier vorgestellten Ergebnisse von J. Martins et al. erscheinen am 22. April 2015 unter dem Titel „Evidence for a spectroscopic direct detection of reflected light from 51 Peg b ” in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.

Die beteiligten Wissenschaftler sind J. H. C. Martins (IA und Universidade do Porto, Portugal; ESO, Santiago de Chile), N. C. Santos (IA und Universidade do Porto), P. Figueira (IA und Universidade do Porto), J. P. Faria (IA und Universidade do Porto), M. Montalto (IA und Universidade do Porto), I. Boisse (Aix Marseille Université, Marseille, Frankreich), D. Ehrenreich (Observatoire de Genève, Genf, Schweiz), C. Lovis (Observatoire de Genève), M. Mayor (Observatoire de Genève), C. Melo (ESO, Santiago de Chile), F. Pepe (Observatoire de Genève), S. G. Sousa (IA und Universidade do Porto), S. Udry (Observatoire de Genève) und D. Cunha (IA und Universidade do Porto).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch 16 Länder: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, 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 verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: 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 einer der Hauptpartner bei ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

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

Kontaktinformationen

Carolin Liefke
ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 528 226
E-Mail: eson-germany@eso.org

Jorge Martins
Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço/Universidade do Porto
Porto, Portugal
Tel: +56 2 2463 3087
E-Mail: Jorge.Martins@iastro.pt

Nuno Santos
Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço/Universidade do Porto
Porto, Portugal
Tel: +351 226 089 893
E-Mail: Nuno.Santos@iastro.pt

Stéphane Udry
Observatoire de l’Université de Genève
Geneva, Switzerland
Tel: +41 22 379 24 67
E-Mail: stephane.udry@unige.ch

Isabelle Boisse
Aix Marseille Université
Marseille, France
E-Mail: Isabelle.Boisse@lam.fr

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-Mail: rhook@eso.org

Weitere Informationen:

http://www.eso.org/public/germany/news/eso1517/?nolang - Webversion der Pressemitteilung mit weiteren Bildern und Videos (auch in höher aufgelösten Versionen). Zugang vor Ablauf der Sperrfrist bitte bei lars@eso.org erfragen
http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1517/eso1517a.pdf - Fachartikel
http://www.eso.org/public/germany/images/archive/category/lasilla/ - Fotos von La Silla

Dr. Carolin Liefke | Max-Planck-Institut für Astronomie

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