Geheimnisvolle Planeten spielen «Verstecken» mit 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. Seit dem Start im Dezember 2019 haben die extrem präzisen Messungen von CHEOPS zu mehreren wichtigen Entdeckungen auf dem Gebiet der Exoplaneten beigetragen.

Die NFS PlanetS-Mitglieder Dr. Solène Ulmer-Moll von den Universitäten Bern und Genf und Dr. Hugh Osborn von der Universität Bern nutzten die einzigartige Synergie von CHEOPS und dem NASA-Satelliten TESS, um eine Reihe von schwer identifizierbaren Exoplaneten zu entdecken. Die Planeten mit den Namen TOI 5678 b und HIP 9618 c haben die Größe von Neptun oder etwas kleiner mit 4,9 und 3,4 Erdradien. Die entsprechenden Studien wurden soeben in den Fachzeitschriften Astronomy & Astrophysics und Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Zwei weitere Mitglieder des internationalen Teams, Amy Tuson von der Universität Cambridge (Großbritannien) und Dr. Zoltán Garai vom ELTE Gothard Astrophysical Observatory (Hungary) haben die gleiche Technik verwendet, um zwei ähnliche Planeten in anderen Systemen zu identifizieren.

Die Synergie von zwei Satelliten

Der CHEOPS-Satellit beobachtet die Helligkeit von Sternen, um die leichte Abschwächung zu erfassen, die auftritt, wenn ein Planet in seiner Umlaufbahn aus unserer Sicht vor seinem Stern vorbeizieht. Durch die Suche nach diesen Verdunkelungsereignissen, den sogenannten Transits, konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die meisten der Tausenden von Exoplaneten entdecken, von denen bekannt ist, dass sie andere Sterne als unsere Sonne umkreisen.

«Der NASA-Satellit TESS ist hervorragend darin, die Transits von Exoplaneten aufzuspüren, selbst bei den am schwierigsten zu entdeckenden Kleinplaneten. Allerdings wechselt er alle 27 Tage sein Sichtfeld, um den grösstmöglichen Teil des Himmels schnell abzutasten. Dies hindert TESS daran, Planeten auf längeren Umlaufbahnen zu finden», erklärt Hugh Osborn. Dennoch konnte der TESS-Satellit einzelne Transite von Planeten um die Sterne TOI 5678 und HIP 9618 beobachten. Als er nach zwei Jahren in das gleiche Sichtfeld zurückkehrte, konnte er erneut ähnliche Transits um dieselben Sterne beobachten. Trotz dieser Beobachtungen war es noch nicht möglich, eindeutig auf die Anwesenheit von Planeten um diese Sterne zu schliessen, da immer noch entscheidende Informationen fehlten. «An dieser Stelle kommt CHEOPS ins Spiel: der Satellit konzentriert sich jeweils auf einen einzelnen Stern, und somit ist CHEOPS eine Nachfolgemission, die perfekt geeignet ist, diese Sterne weiter zu beobachten, um die fehlenden Informationen zu liefern», ergänzt Solène Ulmer-Moll.

Ein langwieriges «Versteckspiel»

Da das CHEOPS-Team das Vorhandensein von Exoplaneten vermutete, entwickelte es eine Methode, um nicht blindlings kostbare Beobachtungszeit zu vergeuden, in der Hoffnung, zusätzliche Transits zu entdecken. Die Forschenden wählten einen gezielten Ansatz, der auf den wenigen Hinweisen basierte, die die von TESS beobachteten Transits lieferten. Auf dieser Grundlage entwickelte Osborn eine Software, die für jeden Planeten mögliche Zeiträume vorschlägt und priorisiert. «Wir spielen dann mit den Planeten und mit dem CHEOPS-Satelliten eine Art Versteckspiel», so Osborn.

«Wir richten CHEOPS zu einem bestimmten Zeitpunkt auf ein Ziel, und je nachdem, ob wir einen Transit beobachten oder nicht, können wir einige der Möglichkeiten ausschliessen und es zu einem anderen Zeitpunkt erneut versuchen, bis wir eine eindeutige Lösung für die Umlaufzeit gefunden haben.» Es brauchte fünf bzw. vier Versuche, bis die Forschenden die Existenz der beiden Exoplaneten eindeutig bestätigen und feststellen konnten, dass TOI 5678 b eine Umlaufzeit von 48 Tagen hat, während HIP 9618 c eine Umlaufzeit von 52,5 Tagen aufweist.

Ideale Ziele für das JWST

Für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die Geschichte damit noch nicht zu Ende. Mit den neu gefundenen begrenzten Zeiträumen für die Transits konnten sie sich bodengestützten Beobachtungen zuwenden, bei denen eine andere Technik, die Radialgeschwindigkeits-Methode, verwendet wurde. Dies ermöglichte es dem Team, Massen von 20 Erdmassen für TOI 5678 b respektive 7,5 Erdmassen für HIP 9618 c zu bestimmen. Wenn sowohl die Grösse als auch die Masse eines Planeten bekannt sind, lässt sich daraus normalerweise die Dichte ableiten, und die Forschenden können sich ein Bild davon machen, woraus er besteht.

«Bei Mini-Neptunen reicht die Dichte jedoch nicht aus, und es gibt noch einige Hypothesen über die Zusammensetzung der Planeten: Es könnte sich entweder um Gesteinsplaneten mit viel Gas handeln oder um Planeten, die reich an Wasser sind und die eine sehr dampfige Atmosphäre haben», erklärt Ulmer-Moll. «Da die vier neu entdeckten Exoplaneten helle Sterne umkreisen, sind sie auch für die Mission des James Webb Space Telescope JWST von grösstem Interesse: Das JWST könnte helfen, das Rätsel ihrer Zusammensetzung zu lösen», so Ulmer-Moll weiter.

Die meisten bisher beobachteten Exoplaneten-Atmosphären sind die von Heissen Jupitern, welches sehr grosse und heisse Exoplaneten sind, die nahe an ihrem Mutterstern kreisen. «Die vier neuen Planeten, die wir entdeckt haben, haben viel moderatere Temperaturen von 'nur' 217 bis 277ºC. Bei diesen Temperaturen können Wolken und Moleküle überleben, die andernfalls durch die grosse Hitze der Heissen Jupiter zerstört würden. Und sie könnten möglicherweise vom JWST entdeckt werden», erklärt Osborn. Die vier neu entdeckten Planeten, die kleiner sind als Heisse Jupiter und eine längere Umlaufzeit haben, sind ein erster Schritt zur Beobachtung von erdähnlichen Transitplaneten.