Wie finden Astronomen Exoplaneten? 5 der besten Methoden erklärt

Am 21. Märzkündigte die NASA die Bestätigung der 5.000ster Planet außerhalb unseres Sonnensystems. Aus glühend heiße Gasriesen in der Nähe ihres Muttersterns angeschmiegt felsige Welten die Wasser auf ihrer Oberfläche beherbergen können, gibt es eine Vielzahl, die Wissenschaftler untersuchen können.

Aber diese seltsamen neuen Welten zu finden, ist eine Wissenschaft für sich. Wir konnten nur auf jeden Fall erkennen Planeten jeglicher Art für ein paar Jahrzehnte, und selbst dann gibt es Herausforderungen, ein so kleines Objekt in dieser Entfernung selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen zu entdecken.

Umkehren sprach mit Marie-Eve Naud, ein Exoplanetenforscher und Outreach-Koordinator für das Institute for Research on Exoplanets der Universität von Montreal, um uns mehr darüber zu erzählen, wie Astronomen diese Welten finden und welche Überlegungen für jede Methode gelten. Obwohl es zahlreiche Methoden gibt, sind die unten genannten die gebräuchlichsten.

Planeten können Minifinsternisse verursachen, die Erdbeobachtern ihre Anwesenheit offenbaren. NASA

Die Transitmethode

Astronomen haben die meisten bekannten Exoplaneten durch die Transitmethode gefunden, die erstmals 1999 demonstriert wurde, um die Existenz des Planeten HD 209458b zu bestätigen. NASAs Kepler Das 2009 gestartete Weltraumteleskop entdeckte Tausende von Planeten in einem festen Himmelsfeld in der Nähe des Sternbildes Cygnus. Als die Planeten das Antlitz ihres Sterns passierten, schwächten sie das Sternenlicht leicht ab. Diese Änderungen der Lichtstärke sind mit Instrumenten, die als Photometer bezeichnet werden, nachweisbar.

Damit diese Methode funktioniert, müssen Astronomen eine winzige Änderung in der Eigenhelligkeit (Leuchtkraft) des Sterns feststellen, oft weniger als ein Prozent. Im Weltraum ist dies aufgrund des Mangels an Atmosphäre, die die Beobachtungen stört, einfacher zu bewerkstelligen und ist die bevorzugte Methode für Missionen wie den Characterizing Exoplanet Satellite (Cheops) der Europäischen Weltraumorganisation und den Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA.

Naud warnte davor, dass mehrere Erkennungen erforderlich sind, was bedeutet, dass ein Planet über mehrere Umlaufbahnen hinweg gesehen werden muss, um sicherzustellen, dass das schwächer werdende Licht nicht auf Sonnenflecken oder Staub zurückzuführen ist. „Normalerweise wartet man, bis man zwei oder drei Transite gesehen hat“, sagte sie und betonte, dass Astronomen eine große Datenmenge von der Transitmethode benötigen, bevor sie bestätigen, dass ein Planet da ist.

Sobald ein Planet entdeckt wurde, können Astronomen seinen Radius abschätzen. Astronomen müssen die Masse separat finden (häufig durch die Radialgeschwindigkeitsmethode, die unten beschrieben wird). Wenn Astronomen die Masse und den Radius eines Planeten bestimmen können, können sie bestimmen, ob er wahrscheinlich felsig oder gasförmig ist, was erhebliche Auswirkungen auf das Leben hat.

Wenn sie beispielsweise feststellen, dass der Planet felsig ist und sich in einer Zone des Muttersterns befindet, die Wasser aufnehmen kann, könnten sie ihn für bewohnbar halten. Aber es gibt Komplikationen, zum Beispiel, ob der Planet in der Nähe eines Sterns ist, der oft ausbricht, wie ein roter Zwerg. Ständige Eruptionen überschütten eine Welt mit Strahlung und bedrohen alle entstehenden Mikroben. Aus diesem Grund sind sich Astronomen nicht sicher, ob beispielsweise TRAPPIST-1 bewohnbare Exoplaneten beherbergt, obwohl Astronomen in diesem System sieben erdgroße Exoplaneten gefunden haben, von denen sich einige in der bewohnbaren Zone befinden.

Einige Planeten sind für uns unsichtbar und wir müssen ihre Existenz auf andere Weise bestätigen, einschließlich ihres Gravitationszugs. NASA

Radialgeschwindigkeitsverfahren

Die Radialgeschwindigkeit ist eine gängige Methode, um Planeten zu finden, insbesondere mit Observatorien wie dem Instrument High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) am 3,6-m-Teleskop La Silla der Europäischen Südsternwarte in Chile.

„Wir sagen oft, dass der Planet um den Stern kreist, aber tatsächlich basieren beide Objekte auf ihrem Massenzentrum“, erklärte Naud. „Dieser Stern bewegt sich leicht, wenn er einen Planeten hat. Wenn es viele hat, wird es eine komplexe Bewegung haben.“

Der Schlüssel ist das Spektrum des Sterns zu betrachten. Wenn sich der Stern auf uns zubewegt, wird sein Licht komprimiert und das Spektrum verschiebt sich zu Rot. Wenn sich der Stern entfernt, wird sein Licht gestreckt und das Spektrum verschiebt sich ins Blaue. Das Spektrum des Sterns wird leicht von der Bewegung des Planeten beeinflusst, was ihn „zu einer Art Strichcode des Sterns macht“, erklärte Naud.

Die erste Entdeckung eines Planeten um einen sonnenähnlichen Stern mit dieser Methode erfolgte 1995, als Didier Queloz und Michel Mayor ihre Ergebnisse über 51 Pegasi b veröffentlichten. Aber es war nicht die allererste Entdeckung eines Planeten – zwei wurden 1992 um den Pulsar PSR B1257+12 gemeldet, ein dritter Planet wurde 1994 bestätigt. Die Astronomen Aleksander Wolszczan und Dale Frail entdeckten die Planeten durch intermittierende Änderungen im Radio des Pulsars Signal, das einem umkreisenden Planeten entspricht, der zwischen dem Pulsar und der Erde vorbeifliegt. Es zeigt Ihnen die Vielfalt der wissenschaftlichen Mittel, mit denen wir verschiedene Welten finden können.

Vier Planeten wurden direkt im System HR 8799 abgebildet – alle massereicher als Jupiter. Jason Wang (Caltech)/Christian Marois (NRC Herzberg)

Direkte Bildgebung

Die direkte Bildgebung ermöglicht es Wissenschaftlern, das Licht von einem Stern zu entfernen, um Exoplaneten direkt zu sehen. Sie denken vielleicht, dass dies eine einfache Methode ist, aber es ist komplizierter, als es sich anhört. Angesichts der Tatsache, dass diese Planeten ziemlich klein sind und relativ wenig reflektiertes Licht für ein Teleskop haben, ist die Technik für Astronomen mit der aktuellen Teleskoptechnologie immer noch schwierig zu erreichen. Aus diesem Grund haben Astronomen bisher nur etwa 60 Planeten mit dieser Technik gefunden.

Dennoch gibt es Vorteile: „Es ist die einzige Methode, die den direkten Nachweis von Exoplaneten ermöglicht“, sagte Naud. Während diese Planeten vorerst Lichtpunkte sind, können wir in ferner Zukunft möglicherweise mehr Details in ihren Atmosphären und auf ihren Oberflächen sehen.

Es gibt zwei Hauptmethoden, die Wissenschaftler heute verwenden, um direkte Bildgebung durchzuführen. Die erste, Koronagraphie, blockiert das Licht von der äußersten Schicht (oder Korona) des Sterns mit einem Gerät innerhalb des Teleskops, das Koronograph genannt wird, um eine künstliche Sonnenfinsternis zu erzeugen, um Planeten zu erkennen.

Kanadas Gemini Planet Imager ist beispielsweise auf dem 8,1-Meter-Teleskop des Gemini South Observatory, Cerro Pachon, Chile, installiert. Mit einem Koronographen fand er im August 2015 den ersten bekannten „jungen Jupiter“, 51 Eri b. (Naud sagte, dass GPI als Pionier in der direkten Bildgebung gilt.)

Die zweite Methode ist ein Sternenschirm, der das Licht eines Sterns blockiert, bevor es sich im Teleskop bewegt. Sternenschirme, die für Exoplaneten entwickelt wurden, müssen ein von einem Teleskop getrenntes Raumschiff sein, um sicherzustellen, dass sie den richtigen Abstand und Winkel haben, um das Sternenlicht effektiv zu blockieren, im Gegensatz zu Sternenschirmen, die verwendet werden, um das Licht unseres Sterns abzuschirmen, wie der auf dem James-Webb-Weltraumteleskop. Bis heute ist noch kein Sternenschirm in den Weltraum geflogen.

Hubble hat einige Exoplaneten mit Mikrolinsen entdeckt – und das James-Webb-Weltraumteleskop könnte die Gelegenheit bekommen, dasselbe zu tun.NASA

Gravitations-Mikrolinsen

Während Astronomen eine bedeutende Minderheit von Planeten (über 130 bei diesem Schreiben) mit einer Technik namens Mikrolinsen entdeckt haben, sind die Beobachtungen schwer nachzuvollziehen. Das Problem ist, dass wir diese Welten oft nur einmal sehen. Das liegt daran, dass sie ein Phänomen verwenden, das zuerst von Einstein beschrieben wurde, bei dem ein großes Objekt im Vordergrund (wie ein Stern oder eine Galaxie) das Licht eines viel kleineren Objekts dahinter beugt. Da diese Ausrichtungen am Himmel kurz sind und nicht vorhergesagt werden können, bedeutet dies oft, dass wir einen bestimmten Planeten nicht erneut untersuchen können.

„Es ist ein bisschen frustrierend, weil es einmal passiert, wenn Sie eine perfekte Ausrichtung mit einem Hintergrundobjekt haben“, sagte Naud und warnte davor, dass es eine Herausforderung sei, die Arbeit für zukünftige Studien zu etablieren, „weil wir es nur dieses eine Mal gesehen haben.“

Die Ausrichtung ändert sich leicht, wenn ein Planet – der eine eigene Schwerkraft hat – involviert wird. Die Schwerkraft des Planeten fügt dem Licht des Sterns ein zusätzliches Lensing-Ereignis hinzu, wodurch das Bild des Hintergrundsterns aufgehellt wird und Astronomen trotz der flüchtigen Natur des Ereignisses viel über diesen Planeten lernen können, einschließlich seiner Masse und Umlaufzeit.

Astronomen entdeckten mit dieser Methode erstmals im Jahr 2003 einen Planeten. Die Entdeckung kombinierte die Fähigkeiten des Polish Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), das die Sternvariabilität untersucht, mit den Japanese/New Zealand Microlensing Observations in Astrophysics (MOA). Das Mikrolinsenereignis ist als 2003-BLG-235 bekannt und war wahrscheinlich ein Planet mit der 1,5-fachen Masse des Jupiter.

Der am weitesten entfernte bestätigte Planet mit Mikrolinsen ist MOA-2011-BLG-291L b, 28.700 Lichtjahre entfernt. Allerdings gibt es Indizienbeweise dafür Planeten draußen Bär Galaxie, aber da Mikrolinsenereignisse so flüchtig sind, ist es unmöglich, sie zu bestätigen.

Die Astrometrie bezieht sich auf Änderungen der Position eines Sterns, die durch einen Planeten verursacht werden. Europäische Weltraumorganisation

Astrometrie

Die Astrometrie verfolgt Abweichungen in der Position eines Sterns, die von einem umlaufenden Exoplaneten erzeugt werden. Da Sterne und ihre Planeten ein Baryzentrum umkreisen, können Astronomen mit äußerst präzisen Instrumenten das Wackeln eines Sterns nachweisen, das von einem Planeten verursacht wird. Die Technik ist ziemlich schwierig, da sie auf noch genaueren Beobachtungen als der Radialgeschwindigkeit beruht und die Quelle mehrerer umstrittener Behauptungen war.

Ein berüchtigtes Beispiel für die Schwierigkeiten der Astrometrie bei der Entdeckung von Exoplaneten kam 1963. Astronom am Swarthmore College Peter van de Kamp gab bekannt, dass er mit Swarthmores 24-Zoll-Refraktor am Sproul Observatory einen Planeten um Barnard’s Star gefunden hatte. Es stellte sich heraus, dass Anpassungen am Hauptspiegel des Teleskops ein falsches Signal erzeugt hatten und die Exoplaneten nicht existierten.

Die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation, die die Positionen von Sternen aus dem Weltraum genau aufzeichnet, soll mithilfe der Astrometrie nach Exoplaneten suchen. Die nächste Veröffentlichung von Daten, die später in diesem Jahr erwartet wird, könnte die ersten astrometrischen Exoplaneten-Erkennungen beinhalten.

Das NASA Exoplanet Archive listet nur auf ein Planet durch Astrometrie gefunden: DENIS-P J082303.1-491201b, auch bekannt als VB 10b. Da der Planet (oder Brauner Zwerg, je nach konsultierter Quelle) in den nachfolgenden Beobachtungen der Radialgeschwindigkeit jedoch nicht auftauchte, „betrachten die meisten Forscher ihn als ein weiteres falsch positives Ergebnis“, so die Planetare Gesellschaft. Das liegt daran, dass Wissenschaftler im Allgemeinen es vorziehen, mindestens zwei Entdeckungen eines Planeten zu haben, um seine Existenz zu bestätigen.

Die Zukunft der Exoplanetenjagd

Während die Erkennung von Planeten in naher Zukunft wahrscheinlich Variationen der oben genannten Methoden verwenden wird, könnten uns einige weiter entfernte Ideen ermöglichen, andere Welten mit mehr Details zu betrachten. Eine Idee ist zum Beispiel zu Verwenden Sie die Sonne als Gravitationslinse. Ein Raumschiff müsste jedoch 550 Sonne-Erde-Entfernungen zurücklegen, um es effektiv nutzen zu können, was sieben- oder achtmal weiter ist als das Voyager-Raumschiff von der Erde entfernt ist.

Am Boden freuen sich die Wissenschaftler auf das erste Licht des Extremely Large Telescope, eines europäischen Observatoriums erwartet, direkte Bilder zu machen einiger Planeten und charakterisieren ihre Atmosphären besser. Es soll 2027 seine Arbeit aufnehmen.

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