Der erste Stern, dessen Lichtkurve CHEOPS aufgezeichnet hat, war HD 93386, ein gelber Unterriese, etwas dreimal so groß wie die Sonne. Der Dip in der Helligkeit des Sterns wird durch den Planeten KELT-11b verursacht, der 30% größer ist als Jupiter.
KELT-11b war der erste Exoplanet, von dem CHEOPS noch in der Phase der Inbetriebnahme eine Transitkurve aufgenommen hat.
Entdeckt wurde dieser Planet mit einem bodengebundenen Teleskop bereits 2014. Die Ergebnisse weiterer bodengebundener Nachfolgebeobachtungen, Transit- und spektroskopische Messungen, wurden 2017 publiziert. Darin wird der Planetenradius mit etwa 1,4 Jupiterradien angegeben mit einem Fehler in der Größenordnung von 10%. Die Messungen mit CHEOPS konnten den Radius mit einem Fehler von etwa 2,5% bestimmen.
Der Stern HD 93396 ist ein gelber Unterriese, der 320 Lichtjahre entfernt ist, etwas kühler und dreimal größer als unsere Sonne. Er beherbergt einen aufgeblähten Gasplaneten, KELT-11b, der etwa 30 % größer ist als Jupiter und sich in einer Umlaufbahn befindet, die viel näher am Stern liegt als die von Merkur zur Sonne.
Infographik zum Planetensystem WASP 189
In nur 2,7 Tagen umkreist der Planet WASP 189b seinen Stern und das in einer ungewöhnlichen Bahn, nämlich um die stellaren Pole und nicht in der Äquatorialebene.
WASP-189b wurde bereits 2018 entdeckt und stand bereits im Fokus des Interesses wegen seiner Nähe zum Stern und seiner ungewöhnlichen Bahn um die Pole des Sterns. WASP-189 ist ein sehr heißer Stern, etwa 2000 heißer als die Sonne, und sein Begleiter, WASP-186b, benötigt nur 2,7 Tage für eine Sternumrundung. Das bedeutet, dass der Planet sehr nahe am Stern ist und der daher sehr stark bestrahlt wird und sich stark aufgeheizt. WASP-189b ist mit etwa 3200°C einer heißesten Jupitergroßen Planeten und mit CHEOPS konnte sein Radius, 224.000 km (1,6 Jupiterradius) mit einer Genauigkeit von 1% bestimmt werden.
Auch der Stern hat überraschende Eigenschaften. Er ist nämlich keine perfekte Kugel, sondern rotiert so schnell, dass er sich verformt und der Äquatorradius größer als der Polradius ist. Damit ist er am Äquator kühler und an den Polen heißer ist. Zu dieser ungewöhnlichen Asymmetrie kommt noch hinzu, dass die Umlaufbahn des Planeten verläuft über die Pole des Sterns, nicht in der Äquatorebene des Sterns. Das würde man eigentlich erwarten, da 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. Wie es bei WASP-189 zu so einer ungewöhnlichen Anordnung kam, ist bisher nicht geklärt.
Ein harmonisches Planetensystem um HD 110067
Mit CHEOPS konnte die Architektur eines Systems mit sechs Planeten entschlüsselt werden: sie bewegen sich auf Umlaufbahnen und ihre Umlaufzeiten in harmonischen Verhältnissen zueinander stehen.
Auf das Planetensystem HD 110067 wurde zuerst TESS im Frühjahr 2020 aufmerksam. Man vermutete zwei Planeten, die sich aber erst zwei Jahre später mit weiteren TESS-Messungen bestätigten. Der erste Planet, HD 110067 b, hat eine Umlaufzeit von 9,1 Tagen. Der zweite Planet HD 110067 c benötigt 13,7 Tage für seinen Sternumlauf. Aber in der Lichtkurve des Sterns konnte man Transitereignisse, die nicht gedeutet werden konnten. Mindestens zwei Ereignisse braucht man, um einen Hinweis auf die Periode des Planeten zu erhalten.
In dieses Rätsel konnten Beobachtungen mit CHEOPS Licht bringen, denn damit konnte man den Stern ganz gezielt zu den Zeiten beobachten, in denen Transitereignisse vermutete. Das erwies sich als Schlüssel zur Interpretation des Systems. Die CHEOPS-Daten zeigten einen dritten Planeten HD 110067 d, der 20,5 Tage für eine Umrundung seines Sterns benötigt.
Die Umlaufzeiten stehen in einem harmonischen Verhältnis zueinander: 9,1 Tage zu 13,7 Tage entspricht einem Verhältnis von 3:2 und 13,7 zu 20,5 entspricht dem Verhältnis 3:4. In der Musik würde man von einer Quint oder einer Quart sprechen.
Aber auch das war noch keine vollständige Beschreibung des Systems, weil es immer noch Dips gab, die keinem der drei Planeten zugeordnet werden konnte. Von harmonischen Verhältnissen der Umlaufzeiten weiterer Planeten ausgehend, hat man dann noch drei weitere Planeten gefunden. Man vermutet, dass solche harmonischen Bedingungen aus der ersten Phase der Planetenentstehung stammen und erhalten geblieben sind, weil das System nicht gestört wurde.
Ein glühend heißer Exoplanet, der wie ein Spiegel wirkt
Die Helligkeit des Planetensystems verändert sich während eines kompletten Planetenumlaufs. Die Art dieser Veränderung weist auf einen Planeten mit hoher Rückstrahleigenschaft (Albedo) hin.
Credit:
ESA (Acknowledgement: work performed by ATG under contract for ESA)
LTT 9779 b ist ein Exoplanet von der Größe des Neptuns. CHEOPS konnte jetzt seine Reflexionseigenschaften - Fachbegriff Albedo - bestimmen: der Planet reflektiert mehr als 80% des Lichts, das er vom Stern empfängt. Sehr hoch ist seine Albedo im Vergleich zur Erde (30%) und noch höher als bei der Venus (75%), dem Planeten mit der höchsten Albedo in unserem Sonnensystem. Das erklärt sich so, dass dieser Planet von Wolken aus Silikaten und Metallen umhüllt ist und damit eine Art riesengroßer Spiegel ist.
Ähnlich wie andere Planeten wurde auch LTT 9776 b zuerst mit dem NASA-Weltraumteleskop TESS entdeckt, dann spektral mit dem HARPS-Instrument der ESA in Chile untersucht.
CHEOPS hat dann weitere photometrische Messungen durchgeführt. Aber was genau?
Da die Umlaufzeit bekannt war, konnte man genau berechnen, wann der Planet vor seinem Stern vorbeizieht (Transit) und wann er hinter seinem Stern verschwindet (Eklipse). Kurz bevor der Planet scheinbar verschwindet empfängt ein Teleskop ein Maximum an Strahlung, nämlich das Licht des Sterns und das reflektierte Licht der maximal beleuchteten Planetenscheibe. Je mehr Licht der Planet reflektiert, um so stärker ändert sich die Intensität beim Verschwinden.
Veränderung der Helligkeit eines Planetensystems während eines kompletten Umlaufs
So wie es Mondphasen gibt, gibt es auch eine Veränderung der Helligkeit des gesamten Planetensystems, je nach Größe des Planeten und seiner Rückstrahleigenschaften.
Darstellung des möglichen Aufbaus der drei Planeten, die den sonnenähnlichen Stern Nu2 Lupi umkreisen. Alle Planeten haben einen Eisenkern und einen Gesteinsmantel, aber Planet c und d haben einen hohen Wasseranteil und eine Gashülle aus Wasserstoff-Helium-Gemisch. Planet d bewegt sich auf einer Bahn, die im Sonnensystem zwischen Merkur und Venus liegen würde, und empfängt daher nur moderate Strahlung des Zentralsterns.
Dass der Stern Nu2 Lupi – ein hell leuchtender, orange-rötlich-gelber Stern mit einer Masse in etwa der Größenordnung unserer Sonne – drei Planeten beheimatet, ist seit 2019 bekannt. Dieser Stern im Sternbild Lupus (Wolf) ist nur 48 Lichtjahre von der Erde entfernt und schon mit dem bloßen Auge sichtbar. Er wurde mit dem HARPS-Instrument (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) am 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile vermessen. In diesen Daten, gewonnen mit der Radialgeschwindigkeitsmethode, hatte man drei Planeten entdeckt und kannte daher ihre Umlaufzeiten: 12 Tage, 28 Tage und 108 Tage. Danach nahm der NASA-Satellit TESS (Transiting Exoplanet Search Satellite) dieses Planetensystem ins Visier und konnte die beiden inneren Planeten, Nu2 Lupi b und Nu2 Lupi c mit Transitereignissen identifizieren. Da TESS aber nur in Beobachtungseinheiten von 28 Tagen misst, konnte man keinen Transit des dritten Planeten erkennen. Vielleicht war die Bahn dieses äußeren Planeten so geneigt, dass es gar kein Transitereignis möglich war. Erst in den CHEOPS-Daten fand man 2021 einen Dip in der Lichtkurve, den man diesem Planeten zuordnen konnte. Die Interpretation alles Datenquellen ergab einen Planeten mit dem zweieinhalbfachen Erdradius und der 8,8-fachen Erdmasse. Seine lange Umlaufzeit impliziert einen Abstand, der zwischen Merkur und Venus liegt, und damit eine gemäßigte Einstrahlung vom Stern, kurz es ist eine Super-Erde.
Künstlerische Darstellung des Zwergplaneten Quoaor
Mit CHEOPS hat man ein Ring um diesen Zwergplaneten gefunden, der so weit entfernt ist, wie man es nicht für möglich hielt. Von der Theorie her hätte sich eigentlich aus diesem Material ein Mond entwickeln sollen.
Nicht nur bei Exoplaneten können Transits beobachtet werden, auch bei Asteroiden oder Zwergplaneten unseres eigenen Sonnensystems, wenn sie zwischen einem Stern und dem Teleskop vorbeizieht. Im Gegensatz zu Exoplanetentransits wiederholen sich diese Ereignisse aber nicht regelmäßig. Der Zwergplanet Quaoar, ein transneptunisches Objekt, wurde bereits 2002 mit einem bodengebundenen Teleskop des Palomar Observatoriums entdeckt. Von 2018 bis 2023 haben dann CHEOPS und einige bodengebundene Teleskope dieses Objekt beobachtet, während es vor einem Stern vorbeizog. Dabei zeigte sich neben dem erwarteten Transitsignal durch den Zwergplaneten weitere Dips, die von einem Ringsystem herrühren. Interessant ist dabei der Abstand zwischen Ring und Planet, der deutlich über der Roche-Grenze, die eigentlich als der weiteste Abstand gilt, in dem ein Ring existieren kann.
