Astronomen suchen ständig den Himmel nach Unerwartetem ab. Sie suchen nach unvorhergesehenen Unebenheiten in ihren Daten – sie signalisieren einen unbekannten Planeten, der einen Stern umkreist, eine neue Klasse astronomischer Objekte oder sogar neue physikalische Gesetze, die die alten umschreiben. Sie sind bereit, neue Ideen anzunehmen, die die Weisheit vergangener Jahre ersetzen können.
Aber es gibt eine Ausnahme von der Regel: die Suche nach Erde 2.0. Hier wollen wir nicht das Unerwartete finden, sondern das Erwartete. Wir wollen einen Planeten finden, der unserem eigenen so ähnlich ist, dass wir ihn fast Heimat nennen können.
Obwohl wir diese Planeten nicht genau genug detailliert abbilden können, um zu sehen, ob es sich um eine Wasserwelt mit üppigen grünen Pflanzen und Zivilisationen handelt, können wir indirekte Methoden verwenden, um einen „erdähnlichen“ Planeten zu finden – einen Planeten mit ähnlicher Masse und Radius zur Erde.
Es gibt nur ein Problem: Die derzeitigen Techniken zur Messung der Masse eines Exoplaneten sind begrenzt. Bis heute messen Astronomen die Radialgeschwindigkeit – winzige Wobbles in der Umlaufbahn eines Sterns, wenn er von der Anziehungskraft seines Exoplaneten gezogen wird –, um das Masseverhältnis von Planet zu Stern abzuleiten.
Aber da die meisten Exoplaneten über ihr Transitsignal erkannt werden – Lichteinbrüche, wenn ein Planet vor seinem Wirtsstern vorbeizieht – wäre es nicht großartig, wenn wir seine Masse allein mit dieser Methode messen könnten? Nun, Astronomen am MIT haben einen Weg gefunden.
Doktorand Julien de Wit und MacArthur Fellow Sara Seemann haben eine neue Technik zur Bestimmung der Masse entwickelt, indem sie allein das Transitsignal eines Exoplaneten verwenden. Wenn ein Planet durchquert, durchdringt das Licht des Sterns eine dünne Schicht der Atmosphäre des Planeten, die bestimmte Wellenlängen des Lichts des Sterns absorbiert. Sobald das Sternenlicht die Erde erreicht, wird es mit den chemischen Fingerabdrücken der Zusammensetzung der Atmosphäre geprägt.
Das sogenannte Transmissionsspektrum ermöglicht es Astronomen, die Atmosphären dieser fremden Welten zu studieren.
Aber hier ist der Schlüssel: Ein massereicherer Planet kann an einer dickeren Atmosphäre festhalten. Theoretisch könnte die Masse eines Planeten also anhand der Atmosphäre oder allein anhand des Transmissionsspektrums gemessen werden.
Natürlich gibt es keine Eins-zu-Eins-Korrelation, sonst hätten wir das schon vor langer Zeit herausgefunden. Die Ausdehnung der Atmosphäre hängt auch von ihrer Temperatur und dem Gewicht ihrer Moleküle ab. Wasserstoff ist so leicht, dass er leichter aus der Atmosphäre entweicht als beispielsweise Sauerstoff.
Also arbeitete de Wit mit einer Standardgleichung, die die Skalenhöhe beschreibt – die vertikale Distanz, über die der Druck einer Atmosphäre abnimmt. Wie stark der Druck abfällt, hängt von der Temperatur des Planeten, der Gravitationskraft des Planeten (auch bekannt als Masse) und der Dichte der Atmosphäre ab.
Nach der grundlegenden Algebra: Wenn wir drei dieser Parameter kennen, können wir nach dem vierten auflösen. Daher kann die Gravitationskraft oder Masse des Planeten aus seiner Atmosphärentemperatur, seinem Druckprofil und seiner Dichte abgeleitet werden – Parameter, die allein in einem Transmissionsspektrum erhalten werden können.
Mit der theoretischen Arbeit im Rücken verwendeten de Wit und Seager den heißen Jupiter HD 189733b mit einer bereits gut etablierten Masse als Fallstudie. Ihre Berechnungen ergaben die gleiche Massenmessung (1,15-fache der Masse des Jupiter) wie bei Radialgeschwindigkeitsmessungen.
Diese neue Technik wird in der Lage sein, die Masse von Exoplaneten allein anhand ihrer Transitdaten zu charakterisieren. Während heiße Jupiter das Hauptziel der neuen Technik bleiben, wollen de Wit und Seager in naher Zukunft erdähnliche Planeten beschreiben. Mit dem für 2018 geplanten Start des James-Webb-Weltraumteleskops sollen Astronomen in der Lage sein, die Masse viel kleinerer Welten zu bestimmen.
Das Papier wurde im Science Magazine veröffentlicht und steht jetzt in einer viel längeren Form zum Download bereit Hier .
