Weltraumteleskop CHEOPS misst ultrapräzise Temperatur und Größe eines ungewöhnlichen Riesenplaneten
28. September 2020 | Heiß wie ein kleiner Stern
Weltraumteleskop CHEOPS misst ultrapräzise Temperatur und Größe eines ungewöhnlichen Riesenplaneten
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 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.
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."
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.
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.
