Die Transitmethode

Venustransit im Jahr 2012. (Bildquelle: NASA/SDO, AIA)

Die Transitmethode ist eine sehr erfolgreiche Methode der Exoplanetenentdeckung. Unter einem Planetentransit versteht man das Vorbeiziehen eines Planeten zwischen einem Stern und der Erde. Im Sonnensystem ist das, von der Erde aus beobachtet, nur bei den inneren Planeten Venus und Merkur möglich. Bei einem Transit verdeckt der Planet einen kleinen Teil der Fläche des Sternes und mindert so die Menge des sichtbaren Lichtes. Dieser Energieabfall ist auch bei weit entfernten Sternen mit guten Teleskopen messbar.

Ein Transitereignis im Sonnensystem. Das Video zeigt allerdings keinen Exoplanetentransit sondern den Transit des Mondes vor der Sonne. Aufgenommen während der Stereo-B Mission zur Untersuchung von Sonnenstürmen. (Quelle NASA/STEREO Project)

Eine direkte Beobachtung von Exoplanetentransits ist infolge der großen Entfernungen praktisch nicht möglich. Selbst moderne Großteleskope können Sterne nur in Ausnahmefällen optisch direkt auflösen. Ein Planetentransit kann lediglich indirekt durch eine geringe Verringerung der Lichtstärke gemessen werden. Der Transit dauert nur Stunden bis Tage, ist also kurz im Verhältnis zur Umlaufzeit des Planeten. Das Zeitfenster für eine Detektion ist dadurch sehr klein. Für die Entdeckung muss der Planet genau zwischen seinem Zentralstern und der Erde passieren. Von der Erde aus gesehen müsste man dafür von der Seite auf die "Kante" des Exoplanetensystemes blicken. Das ist zwar unwahrscheinlich aber durch die Beobachtung von sehr vielen Sternen zur selben Zeit mit Weltraumteleskopen kann man die Wahrscheinlichkeit der Beobachtung von Exoplanetentransitereignissen deutlich erhöhen. So konnte das Kepler Weltraumteleskop zwischen 2009 und 2018 tausende dieser Ereignisse aufzeichnen.

Die Animation zeigt, wie Transits von Exoplaneten zu einer minimalen Veränderung der Leuchtstärke ihres Sternes führen. (Quellcode)

Die Transitmethode eignet sich besonders gut um den Radius des Exoplaneten abzuschätzen. (Quellcode) Näherungsweise gilt folgende Formel:

\begin{equation} \nonumber \frac {\Delta F}{F} = \frac{R_p^2}{R_*^2} \label{eq:eqn_radii} \end{equation}

Wobei \(R_p\) und \(R_*\) die Radien von Exoplanet und Stern sind. \(F\) ist die Stärke des ungestörten Lichtflusses vom Stern und \(\Delta F\) repräsentiert die Reduktion des Lichtflusses durch den Exoplaneten.

Zusammenfassung:
  • Geeignet für große Planeten und Planeten mit kurzen Umlaufzeiten, die sich nahe am Zentralstern befinden
  • Von der Erde aus gesehen muss man auf die Kante des Planetensystems blicken
  • Der Planetenradius ist gut bestimmbar, die Masse kann nur grob geschätzt werden

Detektion von Exomonden

Die Transitmethode bietet auch Möglichkeiten Exomonde zu entdecken. Dies ist jedoch ungleich schwieriger als die Exoplanetenentdeckung und liegt derzeit noch im Grenzbereich des technisch Möglichen. Trotz aller Schwierigkeit nimmt die Anzahl der gemeldeten Exomondkandidaten ständig zu. Eine erste bestätigte Entdeckung steht allerdings noch aus.

Transitzeitvariationen (TTV - Transit Time Variations)

Ein Exomond ist gravitativ an seinen Planeten gebunden. Planet und Mond bewegen sich um den gemeinsamen Massenschwerpunkt. Die Rückkopplung des Mondes auf die Bewegung des Planeten führt dazu, dass dieser bei aufeinanderfolgenden Transits jeweils ein wenig früher oder später in den Transit eintritt. Diese zeitlichen Variationen sind theoretisch messbar. Eine Schwierigkeit liegt jedoch darin, dass ähnliche Variationen auch von noch unentdeckten Exoplaneten verursacht werden können.

Transitdauervariationen (TDV - Transit Duration Variations)

Die Dauer des Planetentransits variiert leicht bei Anwesenheit eines Mondes in Anhängigkeit von dessen Position. Das liegt daran, das infolge der Bindung des Exomondes an seinen Planeten dieser ein wenig schneller oder langsamer an seinem Stern vorbeizieht. Durch wiederholte Messungen der Transitdauer kann so auf einen eventuellen Begleiter des Exoplaneten geschlossen werden.

Direkte Transitbeobachtung

Ein den Planeten begleitender Exomond wird im Transitfall ebenfalls einen geringen Helligkeitsabfall verursachen. Die Transitkurve des Mondes überlagert sich dann mit der des Planeten. Der Effekt des Mondes ist zwar deutlich kleiner als der des Planeten, er kann aber bei großen Monden bereits jenseits der Detektionsschwelle liegen. Wenn man einen Transit mehrmals beobachtet, so wir der Mond in Abhängigkeit von seiner Position auf der Umlaufbahn mal etwas früher und mal etwas später in den Transit eintreten und so die Transitkurve leicht verändern.

Weltraumteleskope die mit der Transitmethode Planeten aufspüren

Weltraumteleskope können unabhängig von Tag und Nacht arbeiten und werden in ihren Beobachtungen nicht durch die Erdatmosphäre beeinträchtigt. Aus diesem Grund sind sie eine ideale Plattform für die Exoplanetensuche.

Das COROT Weltraumteleskop

Der erste Versuch mit einem Weltraumteleskop Exoplaneten zu entdecken wurde von der französischen Raumfahrtagentur CNES im Jahr 2006 mit dem COROT Weltraumteleskop unternommen. Während der Mission wurde jeweils eine kleine Anzahl von 10 Sternen über eine Dauer von 150 Tagen mit hochpräzisen Instrumenten beobachtet und deren Helligkeitsschwankungen aufgezeichnet (mit 0,1 - 10 Hz). Aus den Daten sollten Informationen über die Größe des thermonuklear aktiven Sternkernes, den Heliumanteil, die Dicke der Konvektionsschichten sowie Daten über die Rotation der Sterne gewonnen werden.

Ein weiterer Teil der Mission war die Suche nach Exoplaneten mittels der Transitmethode. Dafür wurden gleichzeitig 12000 Sterne überwacht (insgesamt 180000). Die überwachten Sterne waren zumeist von der Spektralklasse K und M mit scheinbaren Helligkeiten von 12 mag bis zu 15.5 mag. Man versprach sich die Entdeckung von hunderten Exoplaneten in Jupitergröße und 30-40 erdähnlichen Planeten. Tatsächlich wurden von Corot jedoch nur 32 Exoplaneten entdeckt.

Das Kepler Weltraumteleskop.
Das Zielgebiet der Kepler Mission im Sternbild Schwan.

Das Kepler Weltraumteleskop

Im März 2009 startete die NASA die Kepler Mission, deren erklärtes Ziel die Entdeckung erdgroßer Exoplaneten in der habitablen Zone um sonnenähnliche Sterne war. Man erhoffte sich davon eine Abschätzung des Parameters \(n_e\) der Drake-Gleichung. Die Mission war ursprünglich auf 3,5 Jahre ausgelegt, wurde aber auf über 8 Jahre verlängert.

Um den störenden Einfluss der Erde auf die Beobachtungen zu minimieren, wurde das Weltraumteleskop nicht auf eine Umlaufbahn um die Erde gelenkt, sondern auf eine um die Sonne. Es lief der Erde hinterher und umrundet diese in 372,5 Tagen, also etwas langsamer als die Erde selbst.

Das einzige Messinstrument an Bord war ein Photometer für die gleichzeitige Helligkeitsmessung von ungefähr 150000 Sternen im Sternbild Schwan. Von diesen waren ungefähr 90000 sogenannte Hauptreihensterne. Das sind im wesentlichen sonnenähnliche Sterne des Spektraltyps G. Die maximale Empfindlichkeit der Instrumente von Kepler lag im Bereich von 400 - 865 nm Lichtwellenlänge und war damit für die Beobachtung dieser Sterne optimiert. Um möglichst genaue Transitdaten zu erhalten führte Kepler Helligkeitsmessungen der Sterne im Abstand von ungefähr 30 Minuten durch.

Die Hauptmission von Kepler wurde am 15. August 2013 infolge des Ausfalls zweier Reaktionsräder eingestellt. Eine modifizierte Mission suchte noch bis zum Jahr 2018 nach Exoplaneten. Am 30. Oktober 2018 wurde der wissenschaftliche Betrieb infolge von Treibstoffmangel eingestellt. Das Teleskop wurde kurz darauf, am 15. November 2018 komplett abgeschaltet.

Ergebnisse

Die Kepler Mission war außergewöhnlich erfolgreich bei der Entdeckung von neuen Exoplaneten und ein wichtiger ein Schritt auf dem Weg zur Suche nach Leben auf anderen Planeten. Die Hauptaufgabe von Kepler war es, vielversprechende erdähnliche Exoplaneten zu finden, die dann in Folgemissionen genauer untersucht werden sollten. Dies gelang nicht in dem erhofften Umfang. Vor Beginn der Mission versprach man sich die Entdeckung von bis zu 50 erdähnlichen Exoplaneten unter der Annahme, das im Mittel jeder Stern über einen erdgroßen Planeten verfügt. Als erdähnlich wurde hierbei ein Exoplanet definiert, der zwischen 0.9 und 1.2 fache Erdgröße hatte und der sich in einer Entfernung von 0.8 bis 1.2 AE von seinem Stern befand. (1 AE entspricht dem Abstand Erde-Sonne)

Im diesem Größen- und Entfernungsbereich fand Kepler nur drei Kandidaten, statt der erhofften 40-50 (KOI-5499.01, KOI-7179.01 und KOI-7235.01). Diese sind alle bislang unbestätigt (Januar 2022) und befinden sich signaltechnisch an der Grenze dessen, was Keplers Instrumente zu detektieren im Stande waren. Die Daten sind zu verrauscht. Es ist möglich, das keiner der drei erdähnlichen Exoplaneten bestätigt werden wird.

Eine mögliche Erklärung für das Ausbleiben von mehr Entdeckungen ist, dass die Helligkeit des durchschnittlichen sonnenähnlichen Sternes stärker schwankt als ursprünglich auf Basis der Sonnenaktivität angenommen wurde. Das könnte bedeuten, das die Sonne ein ungewöhnlich ruhiger Stern ist. Eine weitere Möglichkeit wäre, das erdähnliche Exoplaneten seltener sind als ursprünglich angenommen. Es wird an zukünftigen Missionen liegen diese Fragen zu klären. (nach [2])

Das TESS Weltraumteleskop

Künstlerische Darstellung des TESS Weltraumteleskopes. (Quelle: NASA via Wikimedia Commons)

Tess oder Transiting Exoplanet Survey Satellite ist ein Weltraumteleskop der NASA, das am 18. April 2018 gestartet wurde. Es wird, wie zuvor schon das Weltraumteleskop Kepler, Exoplanetentransits beobachten. Im Gegensatz zu Kepler soll es mit Weitwinkelkameras den gesamten Himmel abscannen. Sein Beobachtungsbereich ist 400 mal größer als der von Kepler. Der Hauptfokus der Mission (Primärmission) ist die Suche nach kleinen erdähnlichen Exoplaneten um helle Sterne in Erdnähe.

TESS nahm den wissenschaftlichen Betrieb am 25. July 2018 auf. Die erste veröffentlichte Beobachtung war der Komet C/2018 N1. Die erste Exoplanetenentdeckung war die Entdeckung einer Super-Erde im Pi Mensae System, die am 18. September 2018 bekannt gegeben wurde. Bis September 2019 wurden von TESS 1000 "Objekte von Interesse" identifiziert, 29 davon sind bereits als Exoplaneten bestätigt. 20 von diesen sind kleiner als 4 Erdradien.

Am 6. Januar 2020 gab die NASA die Entdeckung des Planeten TOI-700d bekannt. Es ist der erste erdähnliche Planet, der in der habitablen Zone eines Sterns entdeckt wurde. Er Umkreist seinen Stern, einen Roten Zwerg, einmal in 37,43 Tagen. Das Planetensystem TOI 700 befindet sich ungefähr 100 Lichtjahre von der Erde entfernt. In ihm wurden auch zwei weitere erdähnliche Planeten entdeckt: TOI-700b und TOI-700c eine Super-Erde.

Im Juli 2020 schloss TESS die Datensammlung für die Primärmission ab. Bis dahin wurden 66 bestätigte und mehr als 2000 Exoplanetenkandidaten entdeckt. Die Auswertung der Daten wird sich über Jahre hinziehen.

Quellenangaben

  1. Paul A. Wilson: "The exoplanet transit method." Online
  2. Kipping, David: "50 Lost Dreams - Why We Haven't Found Any Earth-Like Planets" Online; Cool Worlds Youtube-Kanal.