Die Transitmethode

Venus Transit von 2012; Credit: Credit: 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.

So ähnlich könnte ein Planetentransit aussehen. 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 auflösen. Ein Planetentransit kann lediglich indirekt in 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 die Entdeckung 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. [2]

Die Transitmethode eignet sich besonders um den Radius des Exoplaneten abzuschätzen [2]. 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 \(R_*\) der Radius des Exoplaneten bzw. des Sternes sind. \(F\) ist die Stärke des ungestörten Lichtflusses vom Stern und \(\Delta F\) der 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 Planetensystemes blicken
  • Der Planetenradius ist gut bestimmbar, die Masse kann nur grob geschätzt werden

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

Histogramm der Exoplanetenentdeckungen aufgetragen über der Zeit. Histogramm der Exoplanetenentdeckungen aufgetragen über der Zeit.

Im März 2009 startete die NASA die Kepler Mission, deren erklärtes Ziel die Entdeckung erdgroßer Exoplaneten in der habitablen Zone um andere Sterne war. Die Mission war ursprünglich auf 3,5 Jahre ausgelegt wurde aber mittlererweile auf über 8 Jahre verlängert.

Um den störenden Einfluss der Erde auf die Beobachtungen zu minimieren wurde die Sonde nicht auf eine Umlaufbahn um die Erde geschossen, sondern auf eine Umlaufbahn um die Sonne. Sie läuft der Erde hinterher und umrundet diese in 372,5 Tagen, also etwas langsamer als die Erde selbst.

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

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

Das TESS Weltraumteleskop

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 liegt auf der Suche nach kleinen erdähnlichen Exoplaneten.

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" identifizert, 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, ein weiterer erdähnlicher Planet und TOI-700c eine Super-Erde.

Quellenangaben

  1. “The exoplanet transit method.” Paul A. Wilson, Webseite
  2. Educational-Javascripts-Typescript Berg, I.; Typescript Quellcode für Transitmethoden Applet.