CHEOPS und der Transit der Sternenbegleiter
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Autor: Ralph-Mirko Richter / 25. Juni 2010, 00:04 Uhr

Ein gigantischer Orkan auf Exoplanet HD 209458b

Astronomen haben mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile erstmals ein aktives Wettergeschehen auf einem Exoplaneten nachgewiesen. Untersuchungsobjekt war der seit dem Jahr 1999 bekannte "Hot Jupiter" HD 209458b.

Quelle: ESO, Wikipedia
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Bis zum heutigen Tag (24. Juni 2010) gelang den Astronomen der Nachweis von 463 Exoplaneten, welche außerhalb unseres Sonnensystems ihre jeweiligen Zentralsterne umlaufen. Eine der dabei angewandten Nachweismethoden ist die sogenannte Transitmethode. Sobald ein Exoplanet von der Erde aus gesehen direkt vor seinem Mutterstern vorbeizieht, nimmt die Helligkeit des beobachteten Sterns um einen winzigen Bruchteil ab, da der Planet einen Teil des von seinem Zentralgestirn ausgehenden Lichts abschirmt. Je größer der beobachtete Exoplanet ist beziehungsweise je enger dessen Umlaufbahn um den Stern ausfällt, umso größer wird auch der Anteil der verdeckten Sternoberfläche und umso stärker nimmt dadurch die Helligkeit des bedeckten Sterns ab.
TEP-Network, H. Deeg, Carrido

Diese Lichtkurve des Exoplaneten HD 209458b wurde in der Nacht vom 26. auf den 27. Juli 2000 am 0,9-Meter-Teleskop in Sierra Nevada aufgenommen.
(Bild: TEP-Network, H. Deeg, Carrido)

Der erste Planet, welcher mit dieser Methode nachgewiesen werden konnte, war der Exoplanet HD 209458b. Am 7. November 1999 konnte beobachtet werden, wie sich die Helligkeit des im Sternbild Pegasus gelegenen und etwa 153 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernten Sterns HD 209458 für einen Zeitraum von etwa drei Stunden um den minimalen Wert von rund 1,7 Prozent verringerte. Diese Beobachtung konnte damals der Astronom Greg Henry am Fairborn-Observatorium/USA aufgrund der Berechnungen eines von Geoffrey Marcy, Professor an der Universität von Kalifornien, geleiteten Astronomen-Teams durchführen.

In den folgenden Jahren entwickelten sich der Stern HD 209458 und sein Planet zu einem beliebten Beobachtungsziel der Astronomen. Der Stern, so die bisherigen Ergebnisse, ist unserer Sonne sehr ähnlich. Bei einem rund 15 Prozent größeren Durchmesser verfügt er in etwa über die gleiche Masse und eine ähnliche Spektralklasse (G0 V). Mit einem Alter von etwa fünf Milliarden Jahren ist er allerdings älter als unser Zentralgestirn.

Trotz dieser guten Ausgangsbedingungen ist auf dem bisher einzigen in diesem System nachgewiesenen Planeten kein Leben möglich, denn bei HD 209458b handelt es sich um einen sogenannten Hot Jupiter. Er umkreist sein Zentralgestirn in einem mittleren Abstand von 6,92 Millionen Kilometern innerhalb von nur 3,5 Tagen. Dies ist eine Distanz, welche lediglich einem Zwanzigstel des Abstands der Erde von der Sonne entspricht. Die Masse des Planeten wurde aufgrund bisheriger Messungen mit etwa 0,6 Jupiter-Massen angegeben. Der Durchmesser beträgt dagegen etwa das 1,38-fache des Jupiterdurchmessers. Diese Diskrepanz zwischen Masse und Durchmesser erklärt sich durch die starke Aufheizung und die dadurch bedingte Ausdehnung der Planetenatmosphäre, welche durch die extreme Nähe zum Zentralstern verursacht wird.

ESO, L. Calcalda

Bild vergrößernEine künstlerische Darstellung des Exoplaneten HD 209458b und seines Zentralgestirns.
(Bild: ESO, L. Calcalda)
In der Nacht des 7. November 2009 beobachtete ein von Ignas Snellen geleitetes Team von Astronomen der Sternwarte Leiden/Niederlande, dem Netherlands Institute for Space Research (SRON) und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA den Stern erneut. Für ihre Messkampagne verwendeten die Wissenschaftler den Infrarotspektrografen CRIRES auf dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile. Die in dieser Nacht erfolgten Messungen an HD 209458b und seinem Zentralgestirn dauerten etwa fünf Stunden und erfassten dabei einen kompletten Transit des Planeten vor seinem Stern sowie die 40 Minuten vor und die 90 Minuten nach diesem Ereignis. Die anschließende Analyse der insgesamt 51 in dieser Nacht gewonnenen Spektralaufnahmen erbrachte gleich mehrere neue Erkenntnisse.

Aufgrund der Genauigkeit der erfolgten Messungen konnte so zum Beispiel die Geschwindigkeit, mit welcher sich HD 209458b um seinen Mutterstern bewegt, direkt gemessen werden. "Üblicherweise bestimmt man die Masse eines Exoplaneten lediglich indirekt, indem man die äußerst geringe Bewegung des Sterns vermisst. Diese Pendelbewegung ergibt sich, da Stern und Planet um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen. Dabei schätzt man die Masse des Sterns anhand seines Spektrums und theoretischer Modelle ab und erhält daraus einen ebenfalls geschätzten Wert für die Masse des Planeten. Im Fall von HD 209458b konnten wir die Bewegung des Planeten jetzt auch erstmals direkt messen, so dass sich die Massen von Stern und Planet direkt bestimmen lassen konnten", so der an den Analysen beteiligte Astronom Ernst de Mooij.

Wenn sich ein Planet von der Erde weg- oder auf sie zu bewegt, so erscheinen die gemessenen Spektrallinien zum roten beziehungsweise blauen Ende des Spektrums hin verschoben. Die Vermessung der Spektrallinien von HD 209458b ergab, dass sich der Planet mit einer Geschwindigkeit von 140 Kilometern pro Sekunde um seinen Zentralstern bewegt. Aufgrund der Bestimmung dieses Wertes war es anschließend möglich, auch die Angabe der Planetenmasse noch weiter zu verfeinern. Demzufolge verfügt der Exoplanet über 0,64 plus/minus 0,09 Jupitermassen. Die Masse des Zentralstern beträgt dagegen 1,00 plus/minus 0,22 Sonnenmassen. Die Entfernung zwischen Planet und Stern konnte auf 0,045 plus/minus 0,003 Astronomische Einheiten festgelegt werden.

Max-Planck-Institut für Astronomie

Bild vergrößernZieht man von einem Gesamtspektrum von Stern und Planet das Spektrum des Sterns ab, so gewinnt man das Einzelspektrum des Planeten. Daraus wiederum lässt sich die Zusammensetzung der Planetenatmosphäre ableiten.
(Bild: Max-Planck-Institut für Astronomie)
Bei einer solchen durch einen Planetentransit erzeugten Sternverfinsterung durchquert ein kleiner Teil des Sternlichtes auch die Atmosphäre des Planeten, so dass die in der Planetenatmosphäre enthaltenen Gasmoleküle ihre unterschiedlichen Absorptionslinien im Sternspektrum hinterlassen. Die Astronomen isolierten diese "Fingerabdrücke" der Planetenatmosphäre von HD 209458b, analysierten sie und kamen zu dem Ergebnis, dass in der Gashülle des Planeten Kohlenmonoxid vorhanden ist. "CRIRES ist das einzige Instrument auf der Erde, das derart präzise Spektren der Kohlenmonoxidlinien liefern kann. Wir konnten die Positionen der Spektrallinien bis auf 1/100.000stel genau bestimmen", erläutert Remco de Kok, ein weiteres Mitglied des Teams, die gewonnenen Messergebnisse.

Damit aber nicht genug. Dank der Präzision der erfolgten Messungen konnten die Astronomen dabei auch erstmals den Kohlenmonoxidanteil in der Planetenatmosphäre bestimmen. "Es hat den Anschein, als wäre HD 209458b tatsächlich genauso kohlenstoffreich wie Jupiter und Saturn. Dies deutet darauf hin, dass der Exoplanet auch auf eine ähnlich Art und Weise entstanden ist", so der Team-Leiter Ignas Snellen von der Sternwarte Leiden. "In Zukunft werden Astronomen solche Messungen auch an erdähnlichen Planeten durchführen können, um deren Atmosphären eingehender zu studieren und dabei herauszufinden, ob Leben auch an anderen Orten im Universum existieren kann."

Aufgrund der großen Nähe zum Zentralstern wird die Planetenoberfläche auf der dem Stern zugewandten Seite von HD 209458b auf etwa 1000°C aufgeheizt. Da der Planet über eine gebundene Rotation verfügt und seinem Heimatstern somit immer dieselbe Seite zuwendet, genau wie dies zum Beispiel auch beim Mond bei seiner Bewegung um unseren Heimatplaneten der Fall ist, wird diese eine Seite sehr stark aufgeheizt, während die vom Stern abgewandte Seite über bedeutend niedrigere Temperaturen verfügt. "Auf der Erde erzeugen große Temperaturdifferenzen in der Atmosphäre starke Windströmungen. Unsere Messungen haben gezeigt, dass dies auch bei HD 209458b der Fall ist", erklärt Teammitglied Simon Albrecht vom MIT diese Situation.

Das Kohlenmonoxid strömt dabei von der vom Sonnenlicht aufgeheizten Hemisphäre mit einer hohen Geschwindigkeit auf die kühlere Nachtseite des Planeten. "Dank der hohen Genauigkeit der Messungen konnten wir unter Ausnutzung des sogenannten Dopplereffektes, welcher die Positionen der Spektrallinien und die Geschwindigkeiten verknüpft, die Geschwindigkeit des Kohlenmonoxidgases bestimmen", so Remco de Kok. "Unsere hochpräzisen Messungen dieses Gases legen dabei den Schluss nahe, dass dort ein extrem starker Wind mit Geschwindigkeiten von 5.000 bis 10.000 Kilometern pro Stunde weht", ergänzt Ignas Snellen.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden in dieser Woche in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die an der Arbeit beteiligten Wissenschaftler sind Ignas A. G. Snellen und Ernst J. W. de Mooij, (Sterrewacht Leiden, Niederlande), Remco J. de Kok (SRON, Utrecht, Niederlande) und Simon Albrecht (Massachusetts Institute of Technology, USA).

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