21. September 2020
Die Vielfalt neu entdeckter Planeten

Die NGTS-Such­kam­pa­gne von Exo­pla­ne­ten – ei­ne Er­folgs­ge­schich­te

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Blick auf die Teleskopanlage auf dem Paranal-Observatorium
Blick auf die Te­le­sko­p­an­la­ge auf dem Pa­r­anal-Ob­ser­va­to­ri­um
Bild 1/3, Credit: ESO

Blick auf die Teleskopanlage auf dem Paranal-Observatorium

Bei Ent­de­ckun­gen von drei in­ter­essan­ten Exo­pla­ne­ten ist das DLR be­tei­ligt, ins­be­son­de­re über die Nut­zung der Te­le­sko­p­an­la­ge NGTS (Next Ge­ne­ra­ti­on Tran­sit Sur­vey), ei­ner Te­le­sko­p­an­la­ge in Chi­le am Pa­r­anal-Ob­ser­va­to­ri­um, die seit 2015 in Be­trieb ist. Acht der zwölf Ka­me­ras der Te­le­sko­p­an­la­ge steu­er­te das DLR bei.
Verteilung der Exoplaneten nach Masse und Umlaufzeit
Ver­tei­lung der Exo­pla­ne­ten nach Mas­se und Um­lauf­zeit
Bild 2/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Verteilung der Exoplaneten nach Masse und Umlaufzeit

Der Er­folg von NGTS, an dem das DLR be­tei­ligt ist, zeigt sich in den ge­fun­de­nen und nach­be­ob­ach­te­ten Pla­ne­ten. Die Ab­bil­dung zeigt al­le Pla­ne­ten mit Um­lauf­zei­ten von we­ni­ger als 50 Ta­gen, wo­bei die NGTS-Ent­de­ckun­gen her­vor­ge­ho­ben sind.
Die Exoplaneten nach Radius und Temperatur
Die Exo­pla­ne­ten nach Ra­di­us und Tem­pe­ra­tur
Bild 3/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Die Exoplaneten nach Radius und Temperatur

Ne­ben den bei­den neu ent­deck­ten Pla­ne­ten, TOI 849b und LTT 9779b, fin­det man noch den al­lers­ten Be­woh­ner der Nep­tun-Wüs­te, NGTS-4b, der 2019 ent­deckt wur­de.

Die Welt der Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne umkreisen – wird immer vielfältiger und facettenreicher. Die Einteilung der Planeten unseres Sonnensystems in Gesteins- und Gasplaneten kann den unterschiedlichen Eigenschaften, die man bei den über 4000 in anderen Sternsystemen entdeckten Planeten gefunden hat, nicht gerecht werden. Die schiere Zahl an Neuentdeckungen ist aber nicht entscheidend. Vielmehr geht es um die genaue Charakterisierung durch Parameter wie Radius und Masse sowie um den inneren Aufbau des Planetenkörpers. Erst dadurch kann man etwas über die Entstehung und Entwicklung von Planeten erfahren. Die Teleskopanlage NGTS in den chilenischen Anden ermöglichte jüngst weitere wichtige Entdeckungen.

Über die Entdeckung dreier interessanter außergewöhnlicher Exoplaneten mit Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde zum Teil schon in den vergangenen Wochen in Fachzeitschriften berichtet. Ganz aktuell kommt heute eine Veröffentlichung in Nature Astronomy über einen superschnellen und superheißen Planeten, LTT 9779b, dazu.

Bei all diesen Entdeckungen ist das DLR beteiligt, insbesondere über die Nutzung der Teleskopanlage NGTS (Next Generation Transit Survey), einer Teleskopanlage in Chile am Paranal-Observatorium, die seit 2015 in Betrieb ist. Acht der zwölf Kameras der Teleskopanlage steuerte das DLR bei. So hat NGTS bereits eine Reihe von Planeten entdeckt und zur Charakterisierung bereits bekannter Planeten beigetragen.

NGTS-11b – so groß wie Saturn und kühler als viele andere Exoplaneten

NGTS-11b ist ein Planet von der Größe des Saturn, der seinen Stern aber nur in rund 35 Tagen umkreist. Die Entdeckungsgeschichte beginnt mit einem einzelnen Transit, einer Passage des Planeten vor seinem Stern, der vom Weltraumraumteleskop TESS der NASA 2018 aufgenommen wurde. Da TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) aber die meisten Beobachtungsegmente nicht länger als 27 Tage untersucht, blieb es bei diesem einzelnen Transit. Ohne die systematische Suche über 79 Nächte mit einem der NGTS-Teleskope wäre der Planet 'verloren' gegangen. NGTS konnte aber einen zweiten Transit aufzeichnen, 390 Tage nach der Transitbeobachtung durch TESS. Aber auch damit konnte man die Umlaufzeit noch nicht genau bestimmen, jedoch immerhin deutlich einschränken: es konnten nicht mehr als 390 Tage sein, oder ganzzahlige Bruchteile davon.

Radialgeschwindigkeitsbeobachtungen des Planetensystems mit zwei verschiedenen Spektrographen an zwei verschiedenen Teleskopen lieferten weitere Informationen. Diese Entdeckung zeigt deutlich, wie wichtig hochpräzise photometrische Messungen vom Boden aus sind. Ohne die NGTS-Beobachtung hätte man den zweiten Transit dieses Planeten nicht entdecken und damit auch nicht seine Umlaufzeit bestimmen können. Aus der Umlaufzeit leitet sich der Abstand zum Zentralstern ab und damit auch seine Oberflächentemperatur. Mit 160 Grad Celsius ist es auf diesem Planeten zwar immer noch wärmer als auf der Erde, aber kühler als auf Venus oder Merkur und der Mehrzahl der entdeckten Planeten, viele von ihnen mit Temperaturen von über 1000 Grad Celsius. Diese Beobachtungen zeigen deutlich das Potential von NGTS: Mit der Multiteleskopanlage ist es möglich, über lange Beobachtungszeiträume nach schwachen Signalen (kleinen "Transitdips") zu suchen, wie sie neptungroße Planeten um einen sonnenähnlichen Stern verursachen.

TOI-849b – Bewohner der Neptunwüste

TOI-849b ist der Planetenkern eines Gasriesen. Er ist ein 'Bewohner der Neptunwüste', jener Region im Masse-Perioden-Diagramm, in dem bisher nur sehr wenige Planeten entdeckt wurden – NGTS-4b ist einer der wenigen. Generell scheint es dort an Planeten mit kurzen Umlaufzeiten und Massen wie jener des Neptun zu mangeln, also etwa dem 15- bis 20-fachen der Erdmasse. Mit einer Umlaufzeit von nur 18 Stunden hat TOI-849b einen Radius wie Neptun, ist aber doppelt oder sogar dreimal so schwer und damit ein recht dichtes Objekt. Es muss eine sehr ungewöhnliche Entwicklung hinter sich haben. Es könnte einmal ein Gasriese gewesen sein, der seine Atmosphäre durch äußere Einwirkung verloren hat. Oder es ist ein Gasriese, der es aber nicht geschafft hat, im Laufe seiner Entwicklung eine atmosphärische Hülle anzusammeln. Dieser Planet wurde zuerst von TESS entdeckt und als Einwohner der 'Neptun-Wüste' identifiziert. Nachbeobachtungen von vier Transitereignissen mit den NGTS-Teleskopen bestätigten die Entdeckung und verfeinerten die Werte für Radius und Umlaufzeit.

LTT 9779b – superschnell und superheiß

LTT 9779b ist ein weiterer Einwohner der 'Neptun-Wüste': superheiß und superschnell, ganz ähnlich zu TOI-849. Er wurde ebenso zunächst von TESS entdeckt und dann von bodengebundenen Teleskopen wie NGTS nachbeobachtet. Wie TOI-849b braucht auch dieser Planet für einen Umlauf nur etwas mehr als 18 Stunden und umkreist seinen Stern daher so dicht, dass er wahrscheinlich eine Temperatur von über 1700 Grad Celsius hat. Bei solchen Temperaturen sind alle Moleküle zerfallen und alle Eisenatome ionisiert. Auch hier stellt sich die Frage, wie sich dieser Planet entwickelt hat und wie er seine Atmosphäre unter der starken Einstrahlung halten konnte.

Bei den beiden letztgenannten Planetenentdeckungen wurde der neuentwickelte Multi-Teleskop-Modus verwendet. Dabei beobachten alle Teleskope der NGTS-Anlage das gleiche Objekt. Das verbesserte Verhältnis von beobachtetem Signal zum Hintergrundrauschen kann Transitsignale entdecken, bei denen die Helligkeit des Sterns durch die vorbeiziehenden Planeten um ein Tausendstel abnimmt.

Damit können mit NGTS-Beobachtungen Bereiche mit Planetenentdeckungen gefüllt werden, die von weltraumgestützten Teleskopen so nicht alleine abgedeckt werden können und ergänzt damit vergangene, gegenwärtige und zukünftige Weltraummissionen wie Kepler, TESS oder PLATO.

Über NGTS
Die Teleskopanlage des Next-Generation Transit Survey (NGTS) wurde von einem Konsortium britischer, schweizerischer und deutscher Institutionen errichtet und befindet sich am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der Atacamawüste im Norden Chiles. Dort kann sie sowohl von den hervorragenden Beobachtungsbedingungen vor Ort als auch von technischer Unterstützung seitens der vorhandenen Einrichtungen profitieren. Sie ist auf die großflächige Durchmusterung des Himmels ausgelegt und wurde maßgeblich vom DLR finanziert. Acht der zwölf Kameras der Teleskopanlage stammen vom DLR. Wissenschaftler des Instituts für Planetenforschung werten im internationalen Team die Daten aus. NGTS ist so konzipiert, dass es vollkommen automatisiert kontinuierlich auf der Suche nach Exoplanetentransits die Helligkeit von mehreren 100.000, vergleichsweise hellen Sternen am Südhimmel vermisst.

Publikationen:
NGTS-11 b / TOI-1847 b: A transiting warm Saturn recovered from a TESS single-transit event
S. Gill et al, Astrophysical Journal Letters, Vol 898, 20. July 2020, DOI: 10.3847/2041-8213/ab9eb9

A remnant planetary core in the hot-Neptune desert
D. A. Armstrong et al, Nature, Vol 583, 2 July 2020, DOI: 10.10387s41586-020-2421-7

An ultahot Neptune in the Neptune Desert
J. S. Jenkins et al, Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-020-1142-z

PlanetMasseRadiusPeriodeTemperaturPublikationNGTS-Beiträge
NGTS-11b0,37 MJupiter0,82 RJupiter35,46 Tage440 Kelvin oder 166 °C

Gill et al.
ApJL 2020

79 Nächte mit einem NGTS-Teleskop
TOI-849b

0,12 MJupiter
40,8 MErde

0,30 RJupiter
3,45 RErde

18,4 h
0,76 Tage

1800 Kelvin oder 1530 °C

Armstrong et al.
Nature 2020
2 Transits mit 10 NGTS-Teleskopen beobachtet

LTT 9779b

0,9 MJupiter
29 MErde
0,41 RJupiter
4,6 RErde
18,96 h
0,79 Tage
>2000 Kelvin oder >1700 °CJenkins et al.
Nature Astronomy 2020
1 Transit mit 9 NGTS-Teleskopen beobachtet

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