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.

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 dieses 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.

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