Willkommen zurück zur neuesten Ausgabe unserer Serie über Exoplaneten-Jagdmethoden. Heute beginnen wir mit der sehr schwierigen, aber sehr vielversprechenden Methode namens Direct Imaging.
In den letzten Jahrzehnten ist die Zahl der außerhalb unseres Sonnensystems entdeckten Planeten sprunghaft angestiegen. Mit Stand vom 4. Oktober 2018 insgesamt 3.869 Exoplaneten wurden in 2.887 Planetensystemen bestätigt, wobei 638 Systeme mehrere Planeten beherbergen. Aufgrund der Einschränkungen, mit denen Astronomen zu kämpfen haben, wurden die meisten davon leider mit indirekten Methoden entdeckt.
Bisher wurden nur eine Handvoll Planeten entdeckt, indem sie bei ihrer Umlaufbahn um ihre Sterne (aka. Direkte Bildgebung ). Diese Methode ist zwar eine Herausforderung im Vergleich zu indirekten Methoden, aber die vielversprechendste, wenn es um die Charakterisierung der Atmosphären von Exoplaneten geht. Bisher, 100 Planeten wurden in 82 Planetensystemen bestätigt mit dieser Methode, und es wird erwartet, dass in naher Zukunft viele weitere gefunden werden.
Beschreibung:
Wie der Name vermuten lässt, besteht Direct Imaging darin, Bilder von Exoplaneten direkt aufzunehmen, was durch die Suche nach dem von der Atmosphäre eines Planeten reflektierten Licht bei infraroten Wellenlängen möglich ist. Der Grund dafür ist, dass ein Stern bei Infrarotwellenlängen wahrscheinlich nur etwa 1 Million Mal heller ist als ein Planet, der Licht reflektiert, und nicht eine Milliarde Mal (was typischerweise bei visuellen Wellenlängen der Fall ist).
Vorteile:
Einer der offensichtlichsten Vorteile von Direct Imaging besteht darin, dass es weniger anfällig für falsch positive Ergebnisse ist. Während die Transit-Methode in bis zu 40 % der Fälle, in denen ein einzelnes Planetensystem beteiligt ist, zu falsch positiven Ergebnissen neigt (was Folgebeobachtungen erforderlich macht), werden Planeten, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode Bestätigung verlangen (deshalb wird es normalerweise mit dem gepaart Transitmethode ). Im Gegensatz dazu ermöglicht Direct Imaging Astronomen, die Planeten, nach denen sie suchen, tatsächlich zu sehen.
Obwohl die Möglichkeiten für die Anwendung dieser Methode selten sind, kann sie den Wissenschaftlern überall dort, wo direkte Nachweise möglich sind, wertvolle Informationen über den Planeten liefern. Durch die Untersuchung der Spektren, die von der Atmosphäre eines Planeten reflektiert werden, können Astronomen beispielsweise wichtige Informationen über seine Zusammensetzung erhalten. Diese Informationen sind für die Charakterisierung von Exoplaneten und die Bestimmung, ob er potenziell bewohnbar ist, von wesentlicher Bedeutung.
Im Fall von Fomalhaut b ermöglichte diese Methode Astronomen, mehr über die Wechselwirkung des Planeten mit der protoplanetaren Scheibe des Sterns zu erfahren, die Masse des Planeten einzuschränken und das Vorhandensein eines massiven Ringsystems zu bestätigen. Im Fall von HR 8799 lieferte die von der Atmosphäre seines Exoplaneten reflektierte Infrarotstrahlung (in Kombination mit Modellen der Planetenentstehung) eine grobe Schätzung der Masse des Planeten.
Direct Imaging funktioniert am besten für Planeten, die weite Umlaufbahnen haben und besonders massiv sind (z. B. Gasriesen). Es ist auch sehr nützlich, um Planeten zu erkennen, die „face-on“ positioniert sind, dh sie bewegen sich nicht vor dem Stern relativ zum Beobachter. Dies macht es komplementär zur Radialgeschwindigkeit, was am effektivsten für die Erkennung von Planeten ist, die „kantenförmig“ sind, wo Planeten ihren Stern passieren.
Nachteile:
Im Vergleich zu anderen Methoden ist Direct Imaging aufgrund der verdunkelnden Wirkung von Sternenlicht eher schwierig. Mit anderen Worten, es ist sehr schwierig, das von der Atmosphäre eines Planeten reflektierte Licht zu erkennen, wenn sein Mutterstern so viel heller ist. Infolgedessen sind die Möglichkeiten für Direct Imaging mit der aktuellen Technologie sehr selten.
Planeten lassen sich mit dieser Methode meist nur dann nachweisen, wenn sie in großen Entfernungen von ihren Sternen umkreisen oder besonders massereich sind. Dies macht die Suche nach terrestrischen (alias „erdähnlichen“) Planeten sehr eingeschränkt, die näher an ihren Sternen kreisen (dh innerhalb der bewohnbaren Zone ihres Sterns). Daher ist diese Methode nicht besonders nützlich, wenn es um die Suche nach potenziell bewohnbaren Exoplaneten geht.
Beispiele für Direct-Imaging-Umfragen:
Der erste mit dieser Technik durchgeführte Exoplanetennachweis erfolgte im Juli 2004, als eine Gruppe von Astronomen die Europäische Südsternwarte (ESO) nutzte. Sehr großes Teleskop-Array (VLTA), um einen Planeten mit der mehrfachen Masse des Jupiter in unmittelbarer Nähe von 2M1207 abzubilden – einem Braunen Zwerg, der sich etwa 200 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet.
Bild eines planetarischen Massenobjekts in der Umlaufbahn um den Braunen Zwerg 2M1207, aufgenommen von einer Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Gael Chauvin im Juli 2004. Bildnachweis: NaCo/VLT/ESO
Im Jahr 2005 bestätigten weitere Beobachtungen die Umlaufbahn dieses Exoplaneten um 2M1207. Einige blieben jedoch skeptisch, dass dies der erste Fall von „Direct Imaging“ war, da die geringe Leuchtkraft des Braunen Zwergs die Entdeckung des Planeten ermöglichte. Da er außerdem einen Braunen Zwerg umkreist, haben einige argumentiert, dass der Gasriese kein richtiger Planet ist.
Im September 2008 wurde ein Objekt mit einem Abstand von 330 AE um seinen Wirtsstern 1RXS J160929.1-210524 aufgenommen, der sich 470 Lichtjahre entfernt im Sternbild Skorpion befindet. Es dauerte jedoch bis 2010, bis es bestätigt wurde, dass es ein Planet und ein Gefährte des Sterns ist.
Am 13. November 2008 gab ein Team von Astronomen bekannt, dass sie mit dem Hubble-Weltraumteleskop . Die Entdeckung wurde möglich dank der dicken Gas- und Staubscheibe, die Fomalhaut umgibt, und der scharfen Innenkante, die darauf hindeutet, dass ein Planet Trümmer aus seinem Weg geräumt hatte.
Folgebeobachtungen mit Hubble lieferten Bilder der Scheibe, die es Astronomen ermöglichten, den Planeten zu lokalisieren. Dazu trägt auch bei, dass dieser Planet, der die doppelte Masse des Jupiter hat, von einem Ringsystem umgeben ist, das um ein Vielfaches dicker ist als die Ringe des Saturn, wodurch der Planet im visuellen Licht ziemlich hell leuchtete.
Zusammengesetztes Falschfarbenbild des Hubble-Weltraumteleskops, das die Bahnbewegung des Planeten Fomalhaut b zeigt. Bildnachweis: NASA/ESA/P. Kalas (UC Berkeley und SETI Institute)
Am selben Tag nutzten Astronomen die Teleskope der beiden Keck-Observatorium und Gemini-Observatorium gaben bekannt, dass sie 3 Planeten aufgenommen hatten, die HR 8799 umkreisen. Diese Planeten, die 10, 10 und 7 Mal so viel Masse haben wie Jupiter, wurden alle im Infraroten entdeckt. Dies wurde der Tatsache zugeschrieben, dass HR 8799 ein junger Stern ist und die Planeten um ihn herum vermutlich noch einen Teil der Wärme ihrer Entstehung behalten.
Im Jahr 2009 ergab die Analyse von Bildern aus dem Jahr 2003 die Existenz eines Planeten, der Beta Pictoris umkreist. Im Jahr 2012 nutzten Astronomen die Subaru-Teleskop Bei der Mauna Kea-Observatorium kündigte die Aufnahme eines „Super-Jupiter“ (mit 12,8 Jupitermassen) an, der den Stern Kappa Andromedae in einer Entfernung von etwa 55 AE (fast doppelt so weit wie Neptun von der Sonne) umkreist.
Im Laufe der Jahre wurden andere Kandidaten gefunden, aber bisher sind sie unbestätigt als Planeten und könnten Braune Zwerge sein. Insgesamt wurden 100 Exoplaneten mit der Direct Imaging-Methode bestätigt (etwa 0,3% aller bestätigten Exoplaneten), und die überwiegende Mehrheit waren Gasriesen, die in großen Entfernungen von ihren Sternen umkreisten.
Dies wird sich jedoch voraussichtlich in naher Zukunft ändern, wenn Teleskope der nächsten Generation und andere Technologien verfügbar werden. Dazu gehören bodengestützte Teleskope mit adaptiver Optik, wie z Dreißig-Meter-Teleskop (TMT) und die Riesen-Magellan-Teleskop (MITTLERE GREENWICH-ZEIT). Dazu gehören auch Teleskope, die auf Koronographen angewiesen sind (wie die James Webb Weltraumteleskop (JWST), bei dem ein Gerät im Inneren des Teleskops verwendet wird, um das Licht eines Sterns zu blockieren.
Eine weitere Methode, die entwickelt wird, ist als „Starshade“ bekannt, ein Gerät, das so positioniert ist, dass es das Licht eines Sterns blockiert, bevor es überhaupt in ein Teleskop eintritt. Für ein weltraumgestütztes Teleskop, das nach Exoplaneten sucht, wäre ein Starshade ein separates Raumfahrzeug, das sich genau in der richtigen Entfernung und im richtigen Winkel positioniert, um das Sternenlicht von den beobachteten Sternen zu blockieren.
Wir haben viele interessante Artikel über die Exoplanetenjagd hier bei Universe Today. Hier ist Was ist die Transitmethode? , Was ist die Radialgeschwindigkeitsmethode? , Was ist die Gravitationsmikrolinsenmethode? , und Keplers Universum: Mehr Planeten in unserer Galaxie als Sterne .
Astronomy Cast hat auch einige interessante Episoden zu diesem Thema. Hier ist Folge 367: Spitzer macht Exoplaneten und Folge 512: Direkte Bildgebung von Exoplaneten .
Weitere Informationen finden Sie auf der NASA-Seite auf Exoplaneten-Erforschung , die Seite der Planetary Society auf Extrasolare Planeten , und die NASA/Caltech Exoplaneten-Archiv .
Quellen:
