Exoplanet untersucht, Erstaunliches entdeckt: Weltraumteleskop CHEOPS fährt „Ernte“ ein
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Exoplanet untersucht, Erstaunliches entdeckt: Weltraumteleskop CHEOPS fährt „Ernte“ ein
Planetensystem um den Stern LHS 1903
Dies ist eine künstlerische Darstellung des Planentensystems um den kleinen, roten M-Zwergstern LHS 1903. Die Architektur des Systems mit seiner Planetenreihenfolge von Gesteinsplanet-Gasplanet-Gasplanet-Gesteinsplanet ist eine Herausforderung für die Theorie der Planetenentstehung. Aus unserem Sonnensystem kennen wir die Anordnung, dass Gesteinsplaneten innen und Gasplaneten außen die Sonne umkreisen. Mit CHEOPS wurde der vierte und äußerste Planet um LHS 1903 genauer untersucht. Es zeigte sich, dass es ein Gesteinsplanet ist, möglicherweise hat er sich deutliche später als seine Planetengeschwister entwickelt.
Credit:
ESA / ATG Europe
Sechs Jahre ist das Weltraumteleskop CHEOPS (CHaracterizing ExOPlanet Satellite) jetzt erfolgreich im Einsatz. In 700 Kilometer Höhe und auf einer polaren Umlaufbahn um die Erde beobachtet CHEOPS einzelne ausgesuchte Sterne, bei denen man schon neue Planeten gefunden hat. Mit seinen hochpräzisen photometrischen Messungen wird die Helligkeit dieser Sterne vermessen, um sogenannte Transitereignisse aufzuzeichnen.
Happy Birthday, CHEOPS!
Seit sechs Jahren ist das Weltraumteleskop CHEOPS unterwegs und liefert hervorragende Beiträge zur Exoplanetenforschung. Das DLR-Institut für Weltraumforschung ist Teil des wissenschaftlichen Teams.
Credit:
CHEOPS Consortium
Transitereignisse ereignen sich immer dann, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht und ihn dadurch – aus der Perspektive des Beobachters – ein wenig abdunkelt. Aus dem Grad dieser Helligkeitsabnahme kann man dann den Planetenradius ableiten. Kennt man die Zeit zwischen zwei Transitereignissen, die Transitperiode, kann man vorausberechnen, wann es sich lohnt, das Teleskop auf dieses System zu richten. Genau dieses genauere Beobachten ist die Aufgabe von CHEOPS.
Mit der Mission sucht man nämlich nicht in erster Linie nach neuen Planeten, so wie das ESA-Weltraumteleskop PLATO ab dem Jahr 2027 oder das Kepler-Teleskop in den Jahren 2009 bis 2018. Vielmehr nimmt sich CHEOPS einzelne, bereits bekannte Planetensysteme vor, um sie genauer zu charakterisieren.
Weltraumdetektiv CHEOPS – ESA-Mission mit DLR-Komponenten
CHEOPS ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die von der Universität Bern geleitet wird. Das DLR-Institut für Weltraumforschung in Berlin (eine Zusammenlegung der beiden DLR-Institute für Planetenforschung sowie Optische Sensorsysteme im Jahr 2025) hat dazu zwei elektronische Module für CHEOPS entwickelt, die die benötigte Präzision der Messungen überhaupt erst ermöglichen und die immer noch erfolgreich arbeiten.
Blick auf das CCD-Array
Die Aufnahme zeigt das CCD-Array im Inneren des Fokalebenen-Moduls an Bord des CHEOPS-Weltraumteleskops.
Die Anforderungen an die thermische Stabilität des Bildsensors, ein CCD-Detektor (ähnlich dem Kamerachip einer Digitalkamera), und die anschließende rauscharme Elektronik sind enorm. Eine bestimmte Arbeitstemperatur muss genau eingehalten werden. Die Temperaturschwankungen dürfen nicht mehr als 1/100 (ein Hundertstel) Grad Celsius betragen. Die thermomechanische Stabilität erreicht man durch eine hochpräzise Temperaturregelung mit einem passiven Kühlelement, dem Radiator, und einem aktiven Heizer. Die Struktur des Instruments (ein Fokalebenen-Modul) wurde aus einer speziellen Berylliumlegierung gefertigt, die sich durch eine sehr geringe Wärmeausdehnung und geringe Masse auszeichnet. Nur unter solchen Bedingungen kann das Forschungsteam um CHEOPS seine wissenschaftlichen Ziele erreichen.
Die beiden DLR-Einheiten an Bord von CHEOPS
Das Fokalebenen-Modul, im Englischen Focal Plane Module, kurz FPM (die dreieckige Einheit), und das Sensor-Elektronik-Modul, kurz SEM. Beide wurden vom DLR-Institut für Weltraumforschung in Berlin entwickelt. Im FPM befinden sich der Bildsensor, das CCD-Detektorarray, und die Front-End-Elektronik (FEE). Das SEM beherbergt eine Stromversorgungseinheit und einen Prozessor, der die FEE steuert und den CCD-Chip ausliest. Wärmeleitende Bänder an der Rückseite des FPM stellen die thermische Verbindung zwischen dem FPM und den Kühlkörpern her, die den CCD auf seiner Betriebstemperatur von minus 40 Grad Celsius halten.
Credit:
ESA / C. Carreau
Diese hochstabile Temperatureinstellung gab es weder beim CoRoT-Satelliten (2006 bis 2013), noch wird es sie bei dem PLATO-Teleskop geben, das Anfang 2027 starten soll. Hier wurden und werden die Temperaturschwankungen des Detektors aus den Lichtkurven nachträglich herausgerechnet.
Die „Ernte“ dieser hervorragenden Ingenieursarbeit sind die wissenschaftlichen Daten, an deren Auswertung das DLR maßgeblich beteiligt ist. Dabei gibt es – und genau das ist Forschung – immer wieder überraschende Erkenntnisse, die man nicht erwartet und nicht planen kann.
Ein jüngstes Beispiel dafür ist das Planetensystem um den Stern LHS 1903, einem 116 Lichtjahre entfernten Roten Zwergstern, der etwa halb so groß ist wie die Sonne. Um diesen Stern kreisen vier Planeten. Das war zunächst nicht klar, denn auch in der Astronomie gilt: „Rom wurde nicht an einem Tag erbaut“ und Planeten werden nicht durch eine einzige Messung mit einem einzelnen Teleskop nachgewiesen und charakterisiert. Zunächst vermutete man aus den Daten des NASA-Satelliten TESS, die zwischen 2019 und 2023 aufgenommen wurden, drei Planeten. Bodengebundene Teleskope haben dies bestätigt und weitere Beiträge geliefert, zum Beispiel die spektralen Eigenschaften des Sterns. In den hochgenauen Messungen mit CHEOPS konnte man die Planeten ebenfalls finden, ihren Radius genauer bestimmen und dabei sogar einen vierten Planeten entdecken.
Das ist noch nicht das Ungewöhnliche, sondern es ist die Anordnung der Planeten, die mit der bisherigen Vorstellung bricht: die Gesteinsplaneten innen, also sternennah, dann die Gasplaneten außen, viel weiter entfernt von ihrem Stern – so kennen wir es aus unserem Sonnensystem. Aber die Planeten um den Stern LHS 1903 verhalten sich ganz anders. Der innerste Planet ist ein Gesteinsplanet und die nächsten beiden Planeten sind Gasplaneten. Aber dann stimmt die bisherige Logik nicht mehr, denn der neu identifizierte äußerste Planet ist wieder ein Gesteinsplanet.
Eine Erklärung dafür könnte sein, dass sich dieser Planet deutlich später entwickelt hat und dass ein Großteil des Gasmaterials schon in den beiden anderen Planeten „verbraucht“ war. Dies ist eine Herausforderung für die die bisherige Theorie der Planetenentstehung und -entwicklung, wie es aktuell in einem Artikel im Fachmagazin Science beschrieben wird.
Künstlerische Darstellung des CHEOPS-Satelliten
CHEOPS umkreist die Erde alle 98 Minuten und misst dabei präzise einzelne Exoplanetensystemen, so dass man sie genauer charakterisieren kann, insbesondere den Planetenradius. Das Weltraumteleskop misst präzise die Größe der Planeten, während diese vor ihren Zentralsternen vorbeiziehen, also bei Transitereignissen. Die Messungen, kombiniert mit bekannten Informationen über die Planetenmasse, ermöglichen die Abschätzung der Planetendichte. Dadurch bekommt man einen ersten Hinweis, ob es sich um einen Gas- oder einen Gesteinsplaneten handelt. Diese erste Charakterisierung der fernen Welten – von denen viele keine Entsprechung in unserem Sonnensystem haben – ist ein entscheidender Schritt zum Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Exoplaneten.
Credit:
ESA / ATG medialab
Die CHEOPS-Mission
Im Februar 2020 hat CHEOPS sein erstes Bild aufgenommen, sechs Jahre arbeitet er Satellit nun einwandfrei. Die ursprüngliche Missionsdauer wurde 2023 um weitere drei Jahre verlängert. Möglich wäre es auch, dass es mit CHEOPS dann sogar noch bis 2029 weitergeht. Die Betriebsmittel an Bord würden es jedenfalls erlauben. Damit könnte CHEOPS bald parallel zur PLATO-Mission im Einsatz sein. Die beiden Missionen haben verschiedene Arbeitsweisen: CHEOPS untersucht gezielt einzelne Sterne, während PLATO tausende Sterne gleichzeitig beobachten wird. Aber weil CHEOPS auch in Teilen des PLATO-Feldes beobachten kann, könnte es zu Synergie-Effekten kommen, zum Beispiel direkt zu Beginn der Mission bei der Kalibrierung des PLATO-Instruments.
