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Was ist die Radialgeschwindigkeitsmethode?

Willkommen zurück zu unserer Serie über Exoplaneten-Jagdmethoden! Heute schauen wir uns eine weitere weit verbreitete und beliebte Methode zur Exoplaneten-Detektion an, die als Radialgeschwindigkeits-Methode (auch bekannt als Doppler-Spektroskopie) bekannt ist.

Die Jagd nach extrasolare Planeten hat sich in den letzten zehn Jahren oder so aufgeheizt! Dank verbesserter Instrumentierung und Methodik konnte die Zahl der entdeckten Exoplaneten (Stand 1. Dezember 2017 ) hat 3.710 Planeten in 2.780 Sternensystemen erreicht, wobei das 621-System mehrere Planeten umfasst. Leider wurden die meisten Astronomen aufgrund der Grenzen, mit denen Astronomen konfrontiert sind, mit indirekten Methoden entdeckt.

Bei diesen indirekten Methoden ist die Radialgeschwindigkeitsmethode – auch Doppler-Spektroskopie genannt – eine der beliebtesten und effektivsten. Diese Methode beruht auf der Beobachtung der Spektrensterne auf Anzeichen von „Wackeln“, bei denen sich der Stern auf die Erde zu und von ihr weg bewegt. Diese Bewegung wird durch die Anwesenheit von Planeten verursacht, die einen gravitativen Einfluss auf ihre jeweilige Sonne ausüben.

Beschreibung:

Im Wesentlichen besteht die Radialgeschwindigkeitsmethode nicht darin, nach Anzeichen von Planeten selbst zu suchen, sondern einen Stern auf Anzeichen von Bewegung zu beobachten. Dies wird abgeleitet, indem mit einem Spektometer gemessen wird, wie die Spektrallinien des Sterns aufgrund der Doppler-Effekt – d.h. wie Licht vom Stern zum roten oder blauen Ende des Spektrums hin verschoben wird (Rotverschiebung/Blauverschiebung).



Diagramm, das die Methode der Radialgeschwindigkeit (auch bekannt als Doppler-Verschiebung) detailliert beschreibt. Bildnachweis: Las Cumbres Observatorium

Diese Verschiebungen sind Anzeichen dafür, dass sich der Stern von der (Rotverschiebung) oder in Richtung (Blauverschiebung) der Erde bewegt. Anhand der Geschwindigkeit des Sterns können Astronomen die Anwesenheit eines Planeten oder Planetensystems bestimmen. Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Stern um seinen Massenmittelpunkt bewegt, der viel kleiner ist als der eines Planeten, ist mit heutigen Spektrometern dennoch messbar.



Bis 2012 war diese Methode das effektivste Mittel zum Nachweis von Exoplaneten, wurde aber inzwischen durch die Transitphotometrie . Dennoch bleibt es eine hochwirksame Methode und wird oft in Verbindung mit der Transit-Methode verwendet, um die Existenz von Exoplaneten zu bestätigen und ihre Größe und Masse einzuschränken.

Vorteile:

Die Radialgeschwindigkeitsmethode war das erste erfolgreiche Mittel zur Erkennung von Exoplaneten und hatte eine hohe Erfolgsquote bei der Identifizierung von Exoplaneten in beiden nahegelegenen ( Nächstes b und TRAPPIST-1 sieben Planeten) und ferne Sternensysteme ( COROT-7c ). Einer der Hauptvorteile besteht darin, dass die Exzentrizität der Umlaufbahn des Planeten direkt gemessen werden kann.

Das Radialgeschwindigkeitssignal ist entfernungsunabhängig, erfordert jedoch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis-Spektrum, um eine hohe Präzision zu erreichen. Als solches wird es im Allgemeinen verwendet, um nach Planeten mit geringer Masse um Sterne zu suchen, die innerhalb von 160 Lichtjahren von der Erde entfernt sind, aber immer noch Gasriesen in bis zu einigen tausend Lichtjahren Entfernung erkennen kann.

https://exoplanets.nasa.gov/5_ways_content/vid/radial_velocity.mp4

Die Radialgeschwindigkeitstechnik ist in der Lage, Planeten um Sterne mit geringer Masse zu erkennen, wie zum Beispiel Sterne vom Typ M (Roter Zwerg). Dies liegt daran, dass Sterne mit geringer Masse stärker vom Gravitationsschleppen von Planeten betroffen sind und dass solche Sterne im Allgemeinen langsamer rotieren (was zu klareren Spektrallinien führt). Dies macht die Radialgeschwindigkeitsmethode aus zwei Gründen sehr nützlich.



Zum einen sind Sterne vom Typ M im Universum am häufigsten und machen 70 % der Sterne in Spiralgalaxien und 90 % der Sterne in elliptischen Galaxien aus. Zweitens haben neuere Studien gezeigt, dass massearme Sterne vom Typ M der wahrscheinlichste Ort sind, um terrestrische (d. h. felsige) Planeten zu finden. Die Radialgeschwindigkeitsmethode eignet sich daher gut für die Untersuchung erdähnlicher Planeten, die nahe an Roten Zwergsonnen (innerhalb ihrer jeweiligen bewohnbaren Zonen) kreisen.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Art und Weise, wie die Radialgeschwindigkeitsmethode der Masse eines Planeten genaue Beschränkungen auferlegen kann. Obwohl die Radialgeschwindigkeit eines Sterns nur Schätzungen der minimalen Masse eines Planeten liefern kann, kann die Unterscheidung der eigenen Spektrallinien des Planeten von denen des Sterns Messungen der Radialgeschwindigkeit des Planeten liefern.

Dadurch können Astronomen die Neigung der Umlaufbahn des Planeten bestimmen, was die Messung der tatsächlichen Masse des Planeten ermöglicht. Diese Technik schließt auch Fehlalarme aus und liefert Daten über die Zusammensetzung des Planeten. Das Hauptproblem ist, dass eine solche Erkennung nur möglich ist, wenn der Planet einen relativ hellen Stern umkreist und wenn der Planet viel Licht reflektiert oder emittiert.

Anzahl der Entdeckungen extrasolarer Planeten pro Jahr bis September 2014, wobei die Farben die Erkennungsmethode anzeigen – Radialgeschwindigkeit (blau), Transit (grün), Timing (gelb), direkte Bildgebung (rot), Mikrolinsen (orange). Kredit: Gemeinfrei

Ab Dezember 2017, 662 aller Exoplaneten-Entdeckungen (sowohl Kandidaten als auch bestätigte) wurden allein mit der Radialgeschwindigkeitsmethode nachgewiesen – fast 30 % der Gesamtzahl.

Nachteile:

Abgesehen davon hat die Radialgeschwindigkeitsmethode auch einige bemerkenswerte Nachteile. Zunächst einmal ist es nicht möglich, Hunderte oder sogar Tausende von Sternen gleichzeitig mit einem einzigen Teleskop zu beobachten – wie dies bei der Transitphotometrie der Fall ist. Darüber hinaus kann die Doppler-Spektrographie manchmal falsche Signale erzeugen, insbesondere in Mehrplaneten- und Mehrsternsystemen.

Dies ist häufig auf das Vorhandensein von Magnetfeldern und bestimmten Arten von Sternaktivität zurückzuführen, kann aber auch auf fehlende ausreichende Daten zurückzuführen sein, da Sterne im Allgemeinen nicht kontinuierlich beobachtet werden. Diese Einschränkungen können jedoch gemildert werden, indem Radialgeschwindigkeitsmessungen mit einer anderen Methode kombiniert werden, von denen die beliebteste und effektivste die Transitphotometrie ist.

Während die Unterscheidung zwischen den Spektrallinien eines Sterns und eines Planeten eine bessere Einschränkung der Masse eines Planeten ermöglichen kann, ist dies im Allgemeinen nur möglich, wenn der Planet um einen relativ hellen Stern kreist und der Planet viel Licht reflektiert oder emittiert. Darüber hinaus erzeugen Planeten mit stark geneigten Umlaufbahnen (relativ zur Sichtlinie des Beobachters) kleinere sichtbare Wobbles und sind daher schwerer zu erkennen.

Letztendlich ist die Radialgeschwindigkeitsmethode am effektivsten, wenn sie mit der Transitphotometrie kombiniert wird, insbesondere um die mit der letztgenannten Methode durchgeführten Detektionen zu bestätigen. Wenn beide Methoden in Kombination verwendet werden, kann die Existenz eines Planeten nicht nur bestätigt, sondern auch genaue Schätzungen seines Radius und seiner wahren Masse gemacht werden.

Beispiele für Radialgeschwindigkeitsmessungen:

Zu den Observatorien, die die Radialgeschwindigkeitsmethode verwenden, gehören das European Southern Observatory (ESO) Der Observatoriumsstuhl in Chile. Diese Einrichtung führt mit ihrem 3,6-Meter-Teleskop, das mit dem Hochgenauer Radialgeschwindigkeits-Planetensucher (HARPS) Spektrometer. Es gibt auch die Teleskope im Keck-Observatorium in Mauna Kei, Hawaii, die auf die Hochauflösendes Echelle-Spektrometer (HIRES) Spektrometer.

Es gibt auch die Observatorium der Haute-Provence in Südfrankreich, das die ELODIE Spektrograph zu erkennen 51 Pegasi b – der erste „Hot Jupiter“, der 1995 einen Hauptreihenstern umkreiste. Im Jahr 2006 wurde ELODIE außer Dienst gestellt und durch die SOPHIE Spektrograph .

Untersuchungen zur Exoplanetenjagd, die auf der Radialgeschwindigkeitsmethode beruhen, werden voraussichtlich stark von der Einführung der James Webb Weltraumteleskop (JWST), die für 2019 geplant ist. Diese Mission wird nach ihrer Inbetriebnahme Doppler-Messungen von Sternen mit ihrer fortschrittlichen Suite von Infrarot-Instrumenten durchführen, um das Vorhandensein von Exoplaneten-Kandidaten zu bestimmen. Einige davon werden dann mit dem bestätigt Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) – die 2018 bereitgestellt wird.

Dank verbesserter Technologie und Methodik hat die Entdeckung von Exoplaneten in den letzten Jahren sprunghaft zugenommen. Mit Tausenden von bestätigten Exoplaneten hat sich der Fokus allmählich auf die Charakterisierung dieser Planeten verlagert, um mehr über ihre Atmosphären und Bedingungen auf ihrer Oberfläche zu erfahren. In den kommenden Jahrzehnten werden, auch dank des Einsatzes neuer Missionen, einige sehr tiefgreifende Entdeckungen erwartet!

Wir haben viele interessante Artikel über die Exoplanetenjagd hier bei Universe Today. Hier ist Was sind Extrasolare Planeten? , Was ist die Transitmethode? , Was ist die Direct Imaging-Methode? , 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 366: HARPS-Spektrograph .

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: