Exoplaneten im Viererpaket

Mit Hilfe des Weltraum­teleskops Cheops ist es einem internationalen Team europäischer Astronomen gelungen, die Existenz von vier neuen Exoplaneten eindeutig zu bestätigen. Die vier Mini-Neptune sind kleiner und kühler und daher schwieriger zu finden als die heißen Jupiter, die bereits in großer Zahl entdeckt worden sind. Zwei der vier Studien stammen von Forschern der Universität Bern und der Universität Genf, die auch Mitglieder des Nationalen Forschungs­schwer­punkts (NFS) PlanetS sind.

Cheops ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraum­organisation (ESA) und der Schweiz, unter der Leitung der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der Universität Genf. Seit dem Start im Dezember 2019 haben die extrem präzisen Messungen von Cheops zu mehreren wichtigen Entdeckungen auf dem Gebiet der Exoplaneten beigetragen.

Die NFS PlanetS-Mitglieder Solène Ulmer-Moll von den Universitäten Bern und Genf und Hugh Osborn von der Universität Bern nutzten die einzigartige Synergie von Cheops und dem NASA-Satelliten Tess, um eine Reihe von schwer identifizier­baren Exoplaneten zu entdecken. Die Planeten mit den Namen TOI 5678 b und HIP 9618 c haben die Größe von Neptun oder etwas kleiner mit 4,9 und 3,4 Erdradien. Zwei weitere Mitglieder des internationalen Teams, Amy Tuson von der Universität Cambridge (UK) und Zoltán Garai vom ELTE Gothard Astro­physical Observatory (Ungarn) haben die gleiche Technik verwendet, um zwei ähnliche Planeten in anderen Systemen zu identifizieren.

Cheops beobachtet die Helligkeit von Sternen, um die leichte Abschwächung zu erfassen, die auftritt, wenn ein Planet in seiner Umlaufbahn aus unserer Sicht vor seinem Stern vorbeizieht. Durch die Suche nach diesen Verdunkelungsereignissen, den Transits, konnten Wissenschaftler die meisten der Tausenden von Exoplaneten entdecken, von denen bekannt ist, dass sie andere Sterne als unsere Sonne umkreisen.

„Der NASA-Satellit Tess ist hervorragend darin, die Transits von Exoplaneten aufzuspüren, selbst bei den am schwierigsten zu entdeckenden Kleinplaneten. Allerdings wechselt er alle 27 Tage sein Sichtfeld, um den größtmöglichen Teil des Himmels schnell abzutasten. Dies hindert Tess daran, Planeten auf längeren Umlauf­bahnen zu finden“, erklärt Hugh Osborn. Dennoch konnte Tess einzelne Transite von Planeten um die Sterne TOI 5678 und HIP 9618 beobachten. Als er nach zwei Jahren in das gleiche Sichtfeld zurückkehrte, konnte er erneut ähnliche Transits um dieselben Sterne beobachten. Trotz dieser Beobachtungen war es noch nicht möglich, eindeutig auf die Anwesenheit von Planeten um diese Sterne zu schließen, da immer noch entscheidende Informationen fehlten. „An dieser Stelle kommt Cheops ins Spiel: Der Satellit konzentriert sich jeweils auf einen einzelnen Stern, und somit ist Cheops eine Nachfolgemission, die perfekt geeignet ist, diese Sterne weiter zu beobachten, um die fehlenden Informationen zu liefern“, ergänzt Solène Ulmer-Moll.

Da das Cheops-Team das Vorhandensein von Exoplaneten vermutete, entwickelte es eine Methode, um nicht blindlings kostbare Beobachtungszeit zu vergeuden, in der Hoffnung, zusätzliche Transits zu entdecken. Die Forscher wählten einen gezielten Ansatz, der auf den wenigen Hinweisen basierte, die die von Tess beobachteten Transits lieferten. Auf dieser Grundlage entwickelte Osborn eine Software, die für jeden Planeten mögliche Zeiträume vorschlägt und priorisiert. „Wir spielen dann mit den Planeten und mit dem Cheops-Satelliten eine Art Versteckspiel“, so Osborn.

„Wir richten Cheops zu einem bestimmten Zeitpunkt auf ein Ziel, und je nachdem, ob wir einen Transit beobachten oder nicht, können wir einige der Möglichkeiten ausschließen und es zu einem anderen Zeitpunkt erneut versuchen, bis wir eine eindeutige Lösung für die Umlaufzeit gefunden haben.“ Es brauchte fünf beziehungsweise vier Versuche, bis die Forscher die Existenz der beiden Exoplaneten eindeutig bestätigen und feststellen konnten, dass TOI 5678 b eine Umlaufzeit von 48 Tagen hat, während HIP 9618 c eine Umlaufzeit von 52,5 Tagen aufweist.

Für die Wissenschaftler ist die Geschichte damit noch nicht zu Ende. Mit den neu gefundenen begrenzten Zeiträumen für die Transits konnten sie sich boden­gestützten Beobachtungen zuwenden, bei denen eine andere Technik, die Radial­geschwindigkeits-Methode, verwendet wurde. Dies ermöglichte es dem Team, Massen von zwanzig Erdmassen für TOI 5678 b respektive 7,5 Erdmassen für HIP 9618 c zu bestimmen. Wenn sowohl die Größe als auch die Masse eines Planeten bekannt sind, lässt sich daraus normalerweise die Dichte ableiten, und man kann sich ein Bild davon machen, woraus er besteht.

„Bei Mini-Neptunen reicht die Dichte jedoch nicht aus, und es gibt noch einige Hypothesen über die Zusammen­setzung der Planeten: Es könnte sich entweder um Gesteins­planeten mit viel Gas handeln oder um Planeten, die reich an Wasser sind und die eine sehr dampfige Atmosphäre haben“, erklärt Ulmer-Moll. „Da die vier neu entdeckten Exoplaneten helle Sterne umkreisen, sind sie auch für die Mission des James Webb Space Telescope JWST von größtem Interesse: Das JWST könnte helfen, das Rätsel ihrer Zusammensetzung zu lösen“, so Ulmer-Moll weiter.

Die meisten bisher beobachteten Exoplaneten-Atmosphären sind die von heißen Jupitern, welches sehr große und heiße Exoplaneten sind, die nahe an ihrem Mutterstern kreisen. „Die vier neuen Planeten, die wir entdeckt haben, haben viel moderatere Temperaturen von ‚nur‘ 217 bis 277 Grad Celsius. Bei diesen Temperaturen können Wolken und Moleküle überleben, die andernfalls durch die große Hitze der heißen Jupiter zerstört würden. Und sie könnten möglicherweise vom JWST entdeckt werden“, erklärt Osborn. Die vier neu entdeckten Planeten, die kleiner sind als heiße Jupiter und eine längere Umlaufzeit haben, sind ein erster Schritt zur Beobachtung von erdähnlichen Transit­planeten.

U. Bern / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  H. P. Osborn et al.: Two Warm Neptunes transiting HIP 9618 revealed by TESS & Cheops, MNRAS 523, 3069 (2023); DOI: 10.1093/mnras/stad1319
  S. Ulmer-Moll et al.: TOI-5678 b: a 48-day transiting Neptune-mass planet characterized with CHEOPS and HARPS, Astron. Astrophys. 674, A43 (2023); DOI: 10.1051/0004-6361/202245478
• Weltraumforschung und Planetologie, Universität Bern