28. September 2020
Heiß wie ein kleiner Stern

Welt­raum­te­le­skop CHE­OPS misst ul­tra­prä­zi­se Tem­pe­ra­tur und Grö­ße ei­nes un­ge­wöhn­li­chen Rie­sen­pla­ne­ten

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ESA-Weltraumteleskop CHEOPS in sonnensynchroner Erdumlaufbahn
ESA-Welt­raum­te­le­skop CHE­OPS in son­nen­syn­chro­ner Erd­um­lauf­bahn
Bild 1/3, Credit: ESA/ATG medialab

ESA-Weltraumteleskop CHEOPS in sonnensynchroner Erdumlaufbahn

Das ESA-Welt­raum­te­le­skop CHE­OPS be­ob­ach­tet ex­tra­so­la­re Pla­ne­ten aus ei­ner nie­de­ren son­nen­syn­chro­nen Erd­um­lauf­bahn in 700 Ki­lo­me­ter Hö­he. Die im De­zem­ber 2019 ge­star­te­te Missi­on ist zu­nächst auf drei­ein­halb Jah­re an­ge­legt, mit der Op­ti­on für ei­ne Ver­län­ge­rung auf fünf Jah­re. Ei­ne der her­aus­ra­gen­den Ei­gen­schaf­ten des Te­le­skops ist die Mög­lich­keit, über lan­ge Zeiträu­me ei­ne ex­trem ho­he Ziel­ge­nau­ig­keit von idea­ler­wei­se ei­ner Bo­gen­se­kun­de bei­be­hal­ten zu kön­nen. Ein ge­wöhn­li­cher Be­ob­ach­tungs­zy­klus be­trägt 48 Stun­den. Die ho­he Emp­find­lich­keit und Sta­bi­li­tät, die durch das vom DLR ent­wi­ckel­te Fo­kal­ebe­nen­mo­dul ge­währ­leis­tet wer­den, sind für den Er­folg der Missi­on aus­schlag­ge­bend.
CHEOPS-Beobachtungen von WASP-189b vor und hinter seinem Stern
CHE­OPS-Be­ob­ach­tun­gen von WASP-189b vor und hin­ter sei­nem Stern
Bild 2/3, Credit: ©ESA

CHEOPS-Beobachtungen von WASP-189b vor und hinter seinem Stern

CHE­OPS misst Tran­sit­si­gna­le von Exo­pla­ne­ten mit höchs­ter Ge­nau­ig­keit, al­so den win­zi­gen Lich­t­ab­fall, wenn ein Pla­net auf sei­ner Um­lauf­bahn vor sei­nem Stern vor­über­zieht und des­sen Licht mi­ni­mal ab­schwächt. So war es mög­lich, nicht nur ein pri­märes Tran­si­ter­eig­nis von WASP-189b zu ver­mes­sen, al­so dann, wenn der Pla­net in der Sicht­li­nie zwi­schen Be­ob­ach­ter und Stern vor­bei­zieht (un­te­re Mess­kur­ve). CHE­OPS konn­te au­ßer­dem das sehr viel klei­ne­re se­kun­däre Si­gnal ver­mes­sen, wenn der Pla­net für den Be­ob­ach­ter hin­ter dem Stern ver­schwin­det (obe­re Mess­kur­ve). Aus die­sen ex­trem prä­zi­sen Mes­sun­gen ei­ner sol­chen Ok­kul­ta­ti­on kann man die Tem­pe­ra­tur des Pla­ne­ten ab­lei­ten. Da­bei stell­te sich her­aus, dass WASP-189b et­wa 3200 Grad Cel­si­us heiß ist, so heiß wie kaum ein an­de­rer Exo­pla­net.
CHEOPS-Ergebnisse der Beobachtung von WASP-189b
CHE­OPS-Er­geb­nis­se der Be­ob­ach­tung von WASP-189b
Bild 3/3, Credit: ©ESA

CHEOPS-Ergebnisse der Beobachtung von WASP-189b

Die Dar­stel­lung fasst die Er­geb­nis­se der um­fang­rei­chen Be­ob­ach­tun­gen des ESA-Welt­raum­te­le­skops CHE­OPS des Exo­pla­ne­ten WASP-189b und sei­nes Sterns HD133112 zu­sam­men: Der Stern, des­sen un­ge­wöhn­li­che Um­lauf­bahn über die Po­le des Sterns ver­läuft, hat ei­nen Durch­mes­ser von 3,36 Mil­lio­nen Ki­lo­me­ter und ist da­mit 2,4mal so groß wie die Son­ne. An sei­ner Ober­flä­che ist er mit über 8000 Grad Cel­si­us um 2000 Grad hei­ßer als un­ser Zen­tral­ge­stirn. HD133112 ro­tiert sehr schnell, am Äqua­tor schnel­ler als an den Po­len. Sein Al­ter wird auf 730 Mil­lio­nen Jah­re ge­schätzt (Son­ne: 4,56 Mil­li­ar­den Jah­re). WASP-189b um­kreist sei­nen Stern in nur 2,7 Ta­gen auf ei­ner 20mal en­ge­ren Bahn als die Er­de. Der Exo­pla­net ist mit ei­nem Durch­mes­ser von 224.000 Ki­lo­me­ter mehr als an­dert­halb­mal so groß wie der Ju­pi­ter, der größ­te Pla­net des Son­nen­sys­tems (sie­he Ver­gleich in der Gra­phik am rech­ten Bild­rand). Mit ei­ner Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur von 3200 Grad Cel­si­us ge­hört er zu den hei­ßes­ten Kör­pern un­ter den mehr als 4000 bis­her ent­deck­ten Exo­pla­ne­ten – die Exis­tenz von Le­ben ist dort folg­lich voll­kom­men aus­ge­schlos­sen.
  • Der Planet WASP-189b ist einer der heißesten bekannten Exoplaneten.
  • Er ist größer als Jupiter und bewegt sich auf einer ungewöhnlichen Umlaufbahn über die Pole des Zentralsterns.
  • DLR-Forschende sind an CHEOPS beteiligt.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration, Exoplaneten

Erste Messergebnisse des europäischen Weltraumteleskops CHEOPS zeigen, dass der Riesenplanet WASP-189b in 326 Lichtjahren Entfernung so heiß glüht wie ein kleiner Stern und sich im schnellen Umlauf um sein Zentralgestirn auf einer ungewöhnlichen Bahn über dessen Pole bewegt. Mit 3200 Grad Celsius ist er einer der heißesten Körper der über 4000 bekannten Exoplaneten. Die im vergangenen Jahr gestartete Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA zeigt höchste Präzision in der Charakterisierung extrasolarer Planeten. An CHEOPS beteiligte Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben an den Auswertungen mitgewirkt, die nun im Journal Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden.

"Der Planet WASP-189b ist seit 2018 bekannt. Wegen seiner ungewöhnlichen Umlaufbahn nah am Zentralstern haben wir ihn mit CHEOPS sehr früh unter die Lupe genommen", erklärt Szilárd Csizmadia vom DLR-Institut für Planetenforschung. "Die genauen Messungen mit CHEOPS offenbaren jetzt seinen außergewöhnlichen Charakter: Es handelt sich um einen ultra-heißen Planeten, der fast den 1,6-fachen Durchmesser Jupiters aufweist und dessen Bahn um seinen Stern seltsam gekippt ist."

Das Weltraumteleskop CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite) wurde am 18. Dezember 2019 in eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 700 Kilometer Höhe über der Erde platziert. Seitdem beobachtet CHEOPS Sterne in unserer kosmischen Nachbarschaft, von denen man weiß, dass sie von Planeten umkreist werden. Es ist sozusagen der berühmte ‚zweite Blick‘ auf diese Exoplaneten: Durch die ultrapräzise Messung kann CHEOPS diese Planeten charakterisieren – und damit unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung planetarer Systeme extrem erweitern.

Die Planeten-Okkultation verriet die hohe Temperatur

CHEOPS misst Transitsignale mit höchster Genauigkeit, also den winzigen Lichtabfall, wenn ein Planet auf seiner Umlaufbahn vor seinem Stern vorüberzieht und dessen Licht minimal abschwächt. So war es möglich, nicht nur ein primäres Transitereignis von WASP-189b zu vermessen, nämlich dann, wenn der Planet in der Sichtlinie zwischen Beobachter und Stern vorbeizieht. CHEOPS konnte auch das sehr viel kleinere sekundäre Signal vermessen, wenn der Planet für den Beobachter hinter dem Stern verschwindet. Aus diesen extrem präzisen Messungen einer solchen Okkultation kann man die Temperatur des Planeten ableiten. Dabei stellte sich heraus, dass WASP-189b etwa 3200 Grad Celsius heiß ist, so heiß wie kaum ein anderer Exoplanet. Bei solchen Temperaturen schmelzen alle Gesteine und Metalle gehen in die Gasphase über. Zum Vergleich: Die Sonne hat an ihrer Oberfläche eine Temperatur von fast 6.000 Grad Celsius, kleine M-Zwergsterne jedoch zum Teil deutlich weniger als 3.000 Grad Celsius.

WASP-189b befindet sich mit etwa 7,5 Millionen Kilometern 20 Mal näher an seinem Stern als die Erde, die die Sonne in rund 150 Millionen Kilometern umkreist. Für einen Umlauf benötigt er nur 2,7 Tage. Der Stern, um den er sich bewegt, ist größer und mehr als 2000 Grad heißer als die Sonne und scheint daher blau zu leuchten. "Es ist nur eine Handvoll Planeten um so heiße Sterne herum bekannt, und dieses System ist bei weitem das hellste", sagt Monika Lendl von der Universität Genf, Schweiz, die Erstautorin der neuen Studie. "WASP-189b ist auch der hellste ‚heiße Jupiter‘, den wir beobachten können, wenn er vor oder hinter seinem Stern vorbeizieht, was das ganze System wirklich faszinierend macht."

Schnelle Stern-Rotation führt zu Abflachung

Transitmessungen erlauben es, den Planetenradius und die Bahnparameter zu bestimmen und etwas über die Planetenform sowie die Sternenform herauszufinden. WASP-189b ist mit einem Äquatordurchmesser von etwa 220.000 Kilometern fast 1,6-mal größer als Jupiter – größer als bisher angenommen. Zudem hielt der der Stern eine Überraschung bereit. Er ist nämlich keine perfekte Kugel, sondern rotiert so schnell, dass er sich verformt und der Äquatorradius größer als der Polradius ist. Das führt dazu, dass der Stern am Äquator kühler und an den Polen heißer ist und diese daher heller erscheinen. Zu dieser ungewöhnlichen Asymmetrie kommt noch hinzu, dass die Umlaufbahn des Planeten nicht in der Äquatorebene des Sterns liegt, wie man es erwarten würde, wenn sich Stern und Planet aus einer gemeinsamen Gas- und Staubscheibe entwickeln, die ihre Drehrichtung an seine Planeten "vererbt", wie es auch im Sonnensystem der Fall ist. Die Bahn von WASP-189b indes verläuft über die Pole des Sterns.

Eine derart geneigte Umlaufbahn führt zu der ungelösten Frage, wie sich ‚heiße Jupiter‘ bilden. Man vermutet, dass eine derart geneigte Umlaufbahn möglich ist, wenn der Planet sich weiter außen gebildet hat und dann nach innen gedrückt worden ist. Das könnte entweder passieren, wenn sich mehrere Planeten innerhalb eines Systems an einer Position drängeln oder wenn ein externer Einfluss – zum Beispiel ein anderer Stern – das System stört und den Gasriesen auf seinen Stern zu und auf sehr stark geneigte Bahnen drängt. Die starke Neigung des Planetenorbits deutet darauf hin, dass auch WASP-189b eine solche starke Wechselwirkung in der Vergangenheit erfahren hat.

Fokalebenenmodul für Aufnahmesensor und Sensor-Steuerelektronikmodul
Fokalebenenmodul für Aufnahmesensor und Sensor-Steuerelektronikmodul
Zwei Elektronikmodule aus dem Berliner Institut für Optische Sensorsysteme sind der DLR-Hardware-Beitrag zur ESA-Mission CHEOPS. Das Fokalebenenmodul (FPM, links), das Herzstück des Messinstruments, enthält den CCD-Detektor mit seiner Elektronik. Um sehr kleine Variationen im Sternenlicht beobachten zu können, sind die thermischen Anforderungen enorm: Der CCD-Detektor und die anschließende rauscharme Elektronik müssen auf einer konstanten Arbeitstemperatur gehalten werden. Die Temperaturschwankungen dürfen nicht größer als ein Hundertstel Grad Kelvin (10 Millikelvin) sein. Das Sensor Electronics Module (SEM, rechts) enthält weitere Elektronik zur Ansteuerung des Sensors (z.B. Temperaturregler, Prozessor und Software).
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

CHEOPS verspricht große Fortschritte in der Exoplanetenforschung

Mit den hochpräzisen Beobachtungen und optischen Fähigkeiten von CHEOPS ließen sich dieungewöhnlichen Eigenschaften des Planetensystems WASP-189b herausfinden. CHEOPS öffnete sein ‚Auge‘ im Januar diesen Jahres und begann im April mit dem wissenschaftlichen Routinebetrieb. Prof. Heike Rauer, Direktorin des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof, ist begeistert: "Die Genauigkeit, die mit CHEOPS erreicht wird, ist phantastisch." Als CHEOPS-Projektwissenschaftlerin blickt sie für den weiteren Missionsverlauf optimistisch in die Zukunft: "Bereits die ersten Messungen zeigen, dass das Instrument besser funktioniert, als es spezifiziert ist. Es erlaubt uns, mehr über diese weit entfernten Planeten zu erfahren." Tausende von Exoplaneten, von denen die überwiegende Mehrheit keine Entsprechungen in unserem Sonnensystem hat, wurden im letzten Vierteljahrhundert entdeckt, und viele weitere werden mit den aktuellen und zukünftigen bodengestützten Vermessungen und Weltraummissionen, wie PLATO, noch gefunden werden.

In den nächsten Jahren wird CHEOPS hunderte von bereits bekannten Planeten verfolgen, die helle Sterne umkreisen, und dabei auf dem bestehenden Wissen aufbauen und es erweitern, so wie es hier für WASP-189b getan wurde. Die Mission ist die erste in einer Reihe von drei ESA-Wissenschaftsmissionen, die sich auf den Nachweis und die Charakterisierung von Exoplaneten konzentrieren: Doch auch CHEOPS hat ein bedeutendes Entdeckungspotenzial – von der Identifizierung von lohnenden Beobachtungsobjekten für künftige Missionen über die Erforschung exoplanetarer Atmosphären bis hin zur Suche nach weiteren Planeten in den bekannten Planetensystemen.

Die ESA-Mission CHEOPS

CHEOPS ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die in enger Kooperation mit der Schweiz entwickelt wurde. Die Leitung des Wissenschaftskonsortiums ist an der Universität Bern angesiedelt mit bedeutenden Beiträgen aus Belgien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Österreich, Portugal, Schweden, Spanien und Ungarn. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist an der wissenschaftlichen Auswertung der Daten von CHEOPS beteiligt. Die Berliner DLR-Institute für Optische Sensorsysteme und für Planetenforschung steuerten zwei elektronische Module bei, darunter das Herzstück des Satellitenteleskops, das Fokalebenen-Modul mit dem CCD-Detektor, dessen thermo-mechanische Stabilität die hochgenauen Messungen ermöglicht. Ebenso entwickelte das DLR Algorithmen zur wissenschaftlichen Auswertung der Messdaten.

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