Kommende Teleskope sollen Berge und andere Landschaften auf extrasolaren Planeten erkennen können
Die Erforschung von Exoplaneten hat in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Zwischen bodengestützten Observatorien und Raumfahrzeugen wie dem Kepler Mission wurden insgesamt 3.726 Exoplaneten in 2.792 Systemen bestätigt, wobei 622 Systeme mehr als einen Planeten haben (Stand: Jan. 1., 2018 ). Und in den kommenden Jahren erwarten Wissenschaftler, dass dank des Einsatzes von Missionen der nächsten Generation noch viele weitere Entdeckungen möglich sein werden.
Dazu gehören NASAs James Webb Weltraumteleskop (JWST)und mehrere bodengestützte Observatorien der nächsten Generation. Diese und andere Observatorien sollen mit ihren fortschrittlichen Instrumenten nicht nur viele weitere Exoplaneten finden, sondern auch Neues und Faszinierendes über sie enthüllen. Zum Beispiel a Kürzlich durchgeführte Studie von der Columbia University gab an, dass es möglich sein wird, mit dem Transitmethode , um Oberflächenerhebungen auf Exoplaneten zu untersuchen.
Die Studie, die kürzlich unter dem Titel „ Berge mit Maulwurfshügeln finden: Die Erkennbarkeit der Exotopographie “, wurde von Moiya McTier und David Kipping geleitet – und einem Doktoranden bzw. einem Assistenzprofessor für Astronomie an der Columbia University. Basierend auf Modellen, die sie mit Körpern in unserem Sonnensystem erstellt haben, überlegte das Team, ob Transitstudien möglicherweise topografische Daten von Exoplaneten aufdecken könnten.
Künstlerische Darstellung eines extrasolaren Planeten, der seinen Stern durchquert. Bildnachweis: QUB Astrophysics Research Center
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Transit-Methode (auch bekannt als Transit-Photometrie) derzeit das beliebteste und zuverlässigste Mittel zur Erkennung von Exoplaneten ist. Es besteht aus Astronomen, die die Lichtkurve entfernter Sterne über die Zeit messen und nach periodischen Helligkeitsabfällen suchen. Diese Einbrüche sind das Ergebnis von Exoplaneten, die relativ zum Beobachter vor dem Stern vorbeiziehen (d. h. im Transit).
Durch die Messung der Geschwindigkeit, mit der das Licht des Sterns einbricht, und der Periode, mit der die Verdunkelung erfolgt, können Astronomen nicht nur das Vorhandensein von Exoplaneten bestimmen, sondern auch deren Größe und Umlaufzeit genau festlegen. Laut McTier und Kipping könnte dieselbe Methode auch das Vorhandensein geographischer Merkmale aufdecken – zum Beispiel Bergketten, Vulkane, Gräben und Krater.
Wie sie in ihrer Studie zeigen, sind indirekte Methoden anstelle der direkten Bildgebung das einzige Mittel, das Astronomen zur Verfügung haben, um Daten auf der Oberfläche eines Exoplaneten zu enthüllen. Leider ist es nicht vorstellbar, wie die Radialgeschwindigkeits-, Mikrolinsen-, Astrometrie- und Timing-Methoden die Exotopographie aufdecken könnten. Damit bleibt die Transitmethode übrig, die in dieser Hinsicht einiges Potenzial hat. Wie sie sagen:
„Die Transitmethode misst direkt die vom Himmel projizierte Fläche der Silhouette eines Planeten relativ zu der eines Sterns, unter der Annahme, dass der Planet selbst nicht leuchtet … Diese Tatsache impliziert, dass Transite tatsächlich ein gewisses Potenzial haben, Oberflächenmerkmale zu enthüllen, da Die Silhouette des Planeten ist aufgrund der Topographie sicherlich von einem kreisförmigen Profil verzerrt.“
Satellitenbild der Himalaya-Bergkette, wie es von NASAs Landsat-7-Bildern des Himalayas aufgenommen wurde. Bildnachweis: NASA
Mit anderen Worten, wenn ein Planet vor seinem Wirtsstern wandert, könnte das Licht, das den Planeten selbst umgibt, auf kleine Variationen gemessen werden. Diese könnten auf das Vorhandensein von Gebirgszügen und anderen großräumigen Merkmalen wie massiven Abgründen hinweisen. Um diese Theorie zu testen, betrachteten sie Planeten im Sonnensystem als Vorlagen dafür, wie die Lichtstreuung während eines Transits großräumige Merkmale aufdecken könnte.
Als Beispiel betrachten sie, was ein erdanaloger Planet enthüllen würde, wenn das Himalaya-Gebirge von Norden nach Süden verlaufen und breit genug wäre, um 1° in der Länge zu umfassen:
„Nehmen wir nun an, dass der Planet aus unserer Sicht die Hälfte einer Umdrehung macht, wenn er seinen Mutterstern durchquert, was alles ist, was notwendig ist, um alle Merkmale des Planeten ohne Wiederholung auf seiner Silhouette erscheinen zu sehen. Wenn sich unser hypothetischer Planet dreht und sich der Himalaya-Block in und aus dem Blickfeld bewegt, führt die Veränderung der Silhouette zu unterschiedlichen Transittiefen…“
Letztendlich sind sie der Meinung, dass der Mars aufgrund seiner Kombination aus geringer Größe, geringer Oberflächengravitation und aktivem internen Vulkanismus der ideale Testfall wäre, was dazu geführt hat, dass er zu dem wurde, was sie als „unebener Körper im Sonnensystem“ bezeichnen. In Kombination mit einem Weißen Zwergstern ist dies der optimale Fall für die Verwendung von Lichtkurven zur Bestimmung der Exotopographie.
Farbmosaik des größten Berges des Mars, Olympus Mons, aus der Umlaufbahn betrachtet. Kredit NASA/JPL
In einer Entfernung von etwa 0,01 AE (was innerhalb der bewohnbaren Zone eines Weißen Zwergs liegen würde) berechnen sie, dass ein marsgroßer Planet eine Umlaufzeit von 11,3 Stunden haben würde. Dies würde es ermöglichen, viele Transite in einer relativ kurzen Betrachtungszeit zu beobachten und so eine höhere Genauigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig räumt das Team ein, dass die vorgeschlagenen Methoden an Nachteilen leiden.
Aufgrund des Vorhandenseins von astrophysikalischem und instrumentellem Rauschen stellten sie beispielsweise fest, dass ihre Methode unproduktiv wäre, wenn es um die Untersuchung von Exoplaneten um sonnenähnliche Sterne und M-Sterne (Roter Zwerg) geht. Aber für marsähnliche Planeten, die weiße Zwergsterne mit geringer Masse umkreisen, könnte die Methode einige sehr wertvolle wissenschaftliche Ergebnisse liefern.
Dies mag zwar begrenzt klingen, bietet jedoch einige faszinierende Möglichkeiten, mehr über Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu erfahren. Wie sie erklären:
„Die ersten Hinweise auf Berge auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu finden, wäre an sich schon aufregend, aber wir können auch aus dem Vorhandensein und der Verteilung von Oberflächenmerkmalen auf Planeteneigenschaften schließen. Zum Beispiel könnte die Erkennung von Unebenheiten zu Einschränkungen der internen Prozesse eines Planeten führen.“
Kurz gesagt, Planeten mit einem hohen Grad an Unebenheit würden auf tektonische Aktivität oder die Ansammlung von Lava durch interne Wärmequellen hinweisen. Diejenigen mit der höchsten Unebenheit (d. h. wie der Mars) würden darauf hinweisen, dass auch sie eine Kombination aus internen Prozessen, geringer Oberflächengravitation, Vulkanismus und einem Mangel an tektonischer Plattenbewegung erfahren. Unterdessen haben Planeten mit geringer Höckerbildung weniger wahrscheinlich einen dieser internen Prozesse und ihre Oberflächen werden eher durch externe Faktoren geformt – wie zum Beispiel Asteroidenbombardierungen.
Künstlerische Darstellung des nächtlichen Einsatzes des OWL-Teleskops aus seinem Gehege, wo es tagsüber betrieben wird. Bildnachweis: ESO
Aufgrund ihrer Schätzungen kommen sie zu dem Schluss, dass die verschiedenen Superteleskope, die in den kommenden Jahren in Betrieb genommen werden sollen, ihrer Aufgabe gewachsen sind. Dazu gehören die ESOs Überwältigend groß (OWL) Telescope, ein vorgeschlagenes 100-Meter-Optik- und Nahinfrarotteleskop, das auf dem Erfolg des Sehr großes Teleskop (VLT) und die kommende Extrem großes Teleskop (ELT).
Ein weiteres Beispiel ist der Kolossteleskop , ein 74-Meter-Optik- und Infrarot-Teleskop, das derzeit von einem internationalen Konsortium in Auftrag gegeben wird. Sobald es betriebsbereit ist, wird es das größte Teleskop sein, das für die Erkennung von extrasolarem Leben und außerirdischen Zivilisationen optimiert ist.
In der Vergangenheit war der Erfolg von Exoplanetenjägern auf eine Kombination von Faktoren zurückzuführen. Neben einer stärkeren Zusammenarbeit zwischen Institutionen, Amateurastronomen und Citizen Scientists gab es auch die Art und Weise, in der verbesserte Technologie mit neuen theoretischen Modellen zusammenfiel. Wenn mehr Daten verfügbar werden, können Wissenschaftler fundiertere Schätzungen darüber erstellen, was wir möglicherweise lernen können, wenn neue Instrumente online gehen.
Wenn die Teleskope der nächsten Generation ins All fliegen oder hier auf der Erde fertig gebaut werden, können wir erwarten, dass Tausende weiterer Exoplaneten gefunden werden. Gleichzeitig ist damit zu rechnen, dass auch über diese Planeten wichtige Details entdeckt werden, die vorher nicht möglich waren. Haben sie Atmosphären? Haben sie Ozeane? Haben sie Gebirgszüge und Abgründe? Wir hoffen, es herauszufinden!
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