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Wie und warum fotografieren Astronomen Exoplaneten?

Es ist nur ein leuchtend gelber Fleck in einem fleckigen blauen Feld, aber dieses Bild des weit entfernten Planeten 51 Eridani b lässt die Astronomen staunen, weil es genau das ist: ein Bild. Diese Woche vom Gemini Planet Imager veröffentlicht, lässt uns diese Ansicht direkt auf eine junge Jupiter-ähnliche Welt blicken, die ungefähr 100 Lichtjahre entfernt ist.

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Trotz unzähliger Ankündigungen neuer und exotischer Exoplaneten, darunter viele, die angeblich der Erde sehr ähnlich sind, wurde die überwiegende Mehrheit der jenseits unseres Sonnensystems gefundenen Welten nur auf indirekte Weise entdeckt. Alle Vorstellungen von ihrer Atmosphäre, ihren Oberflächen und ihrer Fähigkeit, das Leben zu unterstützen, sind vorerst gebildete Spekulationen.

Bruce Macintosh von der Stanford University und seine Kollegen hoffen, das alles zu ändern. Mit dem Gemini Planet Imager (GPI), einem Instrument, das 2013 auf dem Gemini South-Teleskop in Chile installiert wurde, erweitern sie die Grenzen des planetarischen Fotografierens. Wenn Wissenschaftler tatsächlich das Licht eines ganzen Planeten sehen, können sie chemische Anhaltspunkte für dessen Zusammensetzung und Temperatur finden und so ein klareres Bild der fremden Welt zeichnen.

"Die direkte Bildgebung ist wirklich die Technik der Zukunft", sagt Sasha Hinkley, Co-Autorin der Studie, eine Astronomin an der Universität von Exeter. "Um zu verstehen, wie diese Atmosphären aussehen, muss man spektroskopisch arbeiten. Die direkte Bildgebung ist dafür geeignet."

Exoplaneten werden heute normalerweise auf zwei Arten gefunden. Wenn sich der Planet von der Erde aus über das Gesicht seines Wirtssterns bewegt, ändert er das einfallende Sternenlicht geringfügig - dies wird als Transit bezeichnet. Alternativ sucht die Radialgeschwindigkeitsmethode nach einem Stern, der als Reaktion auf den Zug eines umlaufenden Planeten leicht wackelt. Solche indirekten Beweise sind für die meisten der bisher fast 2.000 bestätigten Exoplaneten verantwortlich.

Nur etwa ein Dutzend Exoplaneten sind auf Bildern zu sehen, und all dies sind sehr große Gaswelten, die weit von ihren Sternen entfernt sind. Zum Beispiel ist der planetarische Begleiter von GU Piscium, der 2014 entdeckt wurde, neun- bis dreizehnmal so groß wie der Jupiter und 2.000 Mal so weit von seinem Stern entfernt wie die Erde von der Sonne. Es dauert 163.000 Jahre, um eine Umlaufbahn fertigzustellen. Unterdessen befindet sich die kontrovers diskutierte Welt Fomalhaut b auf einer extrem elliptischen Umlaufbahn, die sie von 4, 5 Milliarden Meilen von ihrem Stern bis zu satten 27 Milliarden Meilen von ihm entfernt führt.

GUPscb_GMOSiz_WIRCamJ_noinset.jpg Der Stern GU Piscium und sein Planet GU Psc b, wie in einem kombinierten Bild unter Verwendung von Infrarot- und sichtbaren Daten des Gemini-South-Teleskops und des Kanada-Frankreich-Hawaii-Teleskops zu sehen. (Das Gemini-Observatorium)

GPI wurde entwickelt, um Planeten zu sehen, die kleiner und näher an ihren Sternen sind. Es verwendet eine adaptive Optik, bei der winzige Motoren die Oberfläche des Teleskopspiegels bis zu tausend Mal pro Sekunde verändern. Die Formänderungen gleichen Unschärfen aus, die auftreten, wenn Licht von entfernten Objekten durch die Erdatmosphäre gelangt und dabei hilft, kleinere Ziele zu erkennen. Das Instrument hat auch einen Koronagraph, ein Gerät, das das Licht eines Sterns ausblendet, um nahegelegene Planeten besser erkennen zu können.

In diesem Fall schaute GPI auf den Stern 51 Eridani und konnte einen Planeten sehen, der mit etwa 13 Astronomischen Einheiten umkreist, mehr als die doppelte Entfernung zwischen Jupiter und unserer Sonne. Die Oberflächentemperatur des Planeten beträgt etwa 800 Grad Fahrenheit. Es ist so heiß, weil das Sternensystem nur 20 Millionen Jahre alt ist und der Planet immer noch von der Hitze der Bildung erleuchtet wird. Das Team konnte auch feststellen, dass die Atmosphäre größtenteils Methan ist, genau wie bei Jupiter.

Das Studium von Bildern von Welten wie 51 Eridani b könnte helfen, Rätsel der Planetenbildung zu lösen, bemerkt Macintosh. "Mit 20 Millionen Jahren erinnert es sich immer noch an den Prozess", sagt er. Eine große Frage ist, ob Planeten in der Größe eines Jupiters schnell wachsen - im Maßstab von Tausenden von Jahren - oder ob es sich um einen langsameren und stetigeren Prozess von Millionen oder Dutzenden von Millionen von Jahren handelt. Weil der Jupiter so groß ist und so viel Masse verbraucht, könnte sich das Herausfinden, wie er entstanden ist und wie typisch er ist, auf Modelle auswirken, wie sich andere Arten von Planeten bilden.

Direkte Bildgebung kann zwar ein Gefühl der Größe vermitteln, ist jedoch nicht so gut für die Beurteilung der Masse eines Planeten geeignet und kann noch nichts auflösen, das viel kleiner ist als unser eigener Jupiter, es sei denn, der Stern ist relativ dunkel und der Planet ist ungewöhnlich hell. "Sie werden keine felsigen Planeten bekommen", sagt Macintosh. "Das ist für die nächste Generation von Teleskopen."

In der Zwischenzeit verfeinern GPI und ein verwandtes Instrument, die spektralpolarimetrische kontrastreiche Exoplanetenforschung (SPHERE) am Very Large Telescope in Chile, die Technik und suchen nach neuen Welten, die für ihre Nahaufnahmen bereit sind.

Während GPI nur im Infrarotbereich sieht, wird SPHERE auch in der Nähe befindliche Sterne untersuchen, um festzustellen, ob Planeten im sichtbaren Licht aufgelöst werden können, sagt Julien Girard, Astronom des Operationsstabs am VLT. Es wird keine andere Erde sehen können - das ist höchstwahrscheinlich eine Aufgabe für ein Weltraumteleskop -, aber es wird beweisen, dass es möglich ist, solche Planeten aufzulösen, zumal zukünftige Technologien einen besseren Kontrast im Licht erzielen, das die Detektoren der Teleskope erreicht, sagt Girard .

Hinkley ist jedoch der Ansicht, dass es eine gute Chance gibt, dass ein Teleskop der nächsten Generation am Boden als erstes ein Bild von einem felsigen Planeten macht. "Die sehr großen Teleskope, die in etwa zehn Jahren online gehen, die 30- und 40-Meter-Klasse, könnten es schaffen", sagt er.

Das Erreichen dieser Stufe kann von Verbesserungen der adaptiven Optik abhängen, aber es kann auch bedeuten, sich auf den Koronagraph zu konzentrieren und die Fähigkeit zu verbessern, das Licht des Sterns zu blockieren, sagt Ben Montet, Ph.D. Kandidat am Zentrum für Astrophysik in Harvard. "Die Herausforderung besteht nicht darin, das schwache Ding abzubilden, sondern das helle Ding direkt daneben auszublenden", sagt er.

Da diese erwarteten Verbesserungen online gehen, ist ein nahe gelegenes Sternensystem wie Tau Ceti, das unserer Sonne ähnelt und nur 11 Lichtjahre entfernt ist, ein guter Kandidat für einen Blick. "Es ist eines der ersten Dinge, in die ich mein Teleskop drehen würde", sagt Hinkley.

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