TESS liefert: Ein Komet, ein Panorama und zwei Planeten

Neues von TESS: Im April habe ich über das Exoplaneten-Weltraumteleskop TESS (Transit Exoplanet Survey Satellite) berichtet, das am 19. April gerade gestartet war. Wir erinnern uns daran, dass die kleine Sonde über 4 kleine 10-cm-Kameras verfügt, die den Himmel streifenweise für jeweils 27 Tage beobachten, um fast den gesamten Himmel nach nahen Exoplaneten abzusuchen. Die Sonde ist dabei auf einer mit dem Mond in 2:1-Resonanz befindlichen Bahn unterwegs, die diese stabilisiert, was dem Treibstoffverbrauch der Sonde zugute kommt.

 

Ein Komet zum Auftakt

TESS erreichte nach einem Mondvorbeiflug am 17. Mai ihre endgültige Bahn am 30. Mai und begann nach einer Test- und Kalibrierungsphase am 25. Juli offiziell mit ihren wissenschaftlichen Beobachtungen. Das erste, was ihr vor die Linse flog, war dabei gleich am ersten Tag der am 29. Juni zuvor vom Infrarot-Weltraumteleskop WISE entdeckte Komet C/2018 N1.

Das animierte Bild zeigt einen winzigen Ausschnitt aus dem Blickfeld von TESS und verfolgt den Kometen über 17 h. Sein Schweif weist nach oben und verdreht sich über die Sequenz ein wenig nach rechts. Gegen Ende der Sequenz huscht ein nebelhafter Lichtschein von der Bildmitte aus nach rechts. Dabei handelt es sich um Streulicht des Planeten Mars, der sich knapp außerhalb des Blickfelds befand.

Die Sterne erscheinen seltsam schwarz-weiß partitioniert. Dies liegt daran, dass man einen Teil der Bilder im Negativ von den positiven Bildern subtrahiert hat; wenn die Sternaufnahmen identisch wären und nicht leicht unterschiedlich in Nachbarpixel geblutet hätten, dann wären sie komplett ausgelöscht. Dies tat man, um veränderliche Sterne besser aufspüren zu können: diese blinken nun zwischen Positiv- und Negativdarstellung. Zwei besonders helle sieht man in der Nähe der Anfangs- und Endposition des Kometen. Wer genau hinsieht, findet auch ein paar Asteroiden, die sich während der Belichtung durch das Bild bewegen. In der Vollbildversion, die sich beim Klicken öffnet, habe ich  veränderliche Sterne blau umringt und die Asteroidenspuren rot unterstrichen. Findet jemand noch mehr?

TESS interessiert sich eigentlich nicht für bereits entdeckte Kometen, das Bild wurde von der NASA hauptsächlich zur Publicity veröffentlicht, aber die Asteroiden sind durchaus Zielobjekte, denn man möchte ja frühzeitig Objekte entdecken, die auf Kollisionskurs mit der Erde sein könnten. Und das Blinken der Sterne zu beobachten ist die eigentliche Aufgabe von TESS, denn so verraten sich auch Exoplaneten, die vor ihrem Stern hindurch ziehen. Allerdings ist dieses Blinken so schwach, dass man es visuell auf so einem Bild nicht würde wahrnehmen können, das funktioniert nur mit Computerhilfe. Die schiere Zahl der veränderlichen Sterne im Bild macht vielleicht ein wenig deutlich, was für eine kolossale Aufgabe es ist, aus diesen verrauschten Rohbildern die Sterne auszufiltern, die ihre Helligkeit nur um ein Zehntausendstel ändern – so “viel” Abschattung würde ein erdgroßer Planet vor einem Stern von Sonnengröße verursachen.

 

Übersicht über den ersten Himmelsabschnitt

Vor ein paar Tagen (am 17. September) wurde dann ein Bild des kompletten Streifens veröffentlicht, den TESS in den ersten 27 Missionstagen beobachtet hat. Es soll sich um das erste “wissenschaftliche Bild” handeln (allerdings entnehme ich den unten folgenden Arbeiten, dass man schon ab dem 25. Juli Aufnahmen zur Helligkeitsmessung ausgewertet hat). Der Streifen reicht vom Südpol der Ekliptik im Schwertfisch bis knapp südlich der Ekliptik im Steinbock (hier noch einmal ein Bild aus dem ersten TESS-Artikel zur Veranschaulichung der Sektoren).

Das Bild wurde am 7. August aufgenommen und (wie alle TESS-Aufnahmen in Summe) 30 Minuten lang belichtet. Man sieht die 4 übereinander angeordneten Blickfelder der Einzelkameras, die jeweils noch einmal in 4 durch dunkle Linien getrennte Felder zerfallen – die Kamerasensoren bestehen jeweils aus 4 CCD-Sensoren mit kleiner Lücke dazwischen.

 

… und die ersten Planeten!

Kaum dass dieses Bild veröffentlicht war, kamen schon die ersten Meldungen über zwei von TESS aufgespürte Exoplaneten.

Am 18. September meldeten Chelsea X. Huang und andere [1] (überwiegend vom Massachusetts Institute of Technology, das TESS mit entwickelt hatte) den Fund einer Supererde von 2,14 Erddurchmessern und 4,8 Erdmassen in einem nur 6,27 Tage dauernden Orbit um den Stern π im Sternbild Tafelberg (Mensa), der mit 5,7^m knapp  fürs bloße Auge sichtbar ist. Der Stern ist mit Spektralklasse G0V sonnenähnlich mit 1,1 Sonnendurchmessern und auch 1,1 Sonnenmassen (dem liegen unter anderem die neuesten Gaia-DR2-Messungen zugrunde). Er ist 59,6 Lichtjahre entfernt.

Der Planet umkreist den Stern mit einem mittleren Sternabstand von nur einer Million Kilometern, das ist weniger als der Durchmesser des Sterns (1,5 Millionen km) und 50mal näher am Stern als Merkur die Sonne umkreist. Bisher wusste man schon von einem Gasriesen von 10facher Jupitermasse, der π Mensae auf einem exzentrischen Orbit in 3 Astronomischen Einheiten (also 450 Millionen km) binnen 5,7 Jahren umrundet, etwas enger als Jupiter die Sonne umkreist (5 AE). Dieser Planet wurde als π Mensae b bezeichnet, so dass die neu entdeckte Supererde nun π Mensae c heißt.

π Mensae c wurde von automatischen Rechnerpipelines entdeckt, die nach Schwankungen der Sternhelligkeiten im betreffenden Größenbereich suchen. Hier war das eine Schwankung um 300 ppm = 0,03% der Sternhelligkeit. Die Autoren prüften dann zunächst, ob es sich um ein falsches Positivsignal z.B. eines streifenden Transits eines Bedeckungsveränderlichen handeln könnte, aber der Fund bestand alle Tests (Bedeckungsveränderliche haben z.B. eine zweite Verfinsterung nach einem halben Umlauf, Transit-Planeten nicht).

Dann ging es daran, die exakte Lichtkurve des Transits zu bestimmen, um die Größe des Planetenscheibchens zu bestimmen. Da der Stern selbst leicht veränderlich ist, mussten seine Helligkeitsschwankungen  (Bild unten, obere Zeile) zunächst kompensiert werden, indem anhand der Helligkeitswerte kurz vor und nach den Transits eine Lichtkurve des Sterns selbst über die gesamte Beobachtungszeit erstellt wurde. Diese wurde dann von den Rohdaten abgezogen (Bild, mittlere Zeile). Die 5 sichtbaren Transits wurden dann übereinander gelegt und 5-Minuten-Mittelwerte der Helligkeiten bestimmt (untere Zeile, schwarze Punkte). Die rote Linie ergab dann den Fit für die Transit-Lichtkurve. Aus der Tiefe der Verfinsterung (300 ppm) folgt, dass der Planet den Stern zu 1/3300 bedeckt und damit bei bekanntem Sterndurchmesser 2,14±0,04 Erddurchmesser hat. Aus der Periode der Transits folgt die Umlaufzeit und mit der bekannten Masse des Sterns der Bahnradius des Planeten. Man nahm eine kreisförmige Umlaufbahn an, was bei einem so engen Umlauf plausibel ist.

Um die Masse und damit Dichte zu bestimmen, muss die Bewegung des Sterns aufgrund der Schwerkraft des Planeten bestimmt werden, was mit Hilfe von hoch aufgelösten Sternspektren gelingt, die die Bewegung des Sterns um den gemeinsamen Schwerpunkt mit dem Planeten durch den Dopplereffekt auf weniger als 1 m/s genau messen können. Glücklicherweise lagen solche Spektren bereits vor, da der Stern schon seit 20 Jahren vom Anglo-Australian Telescope (AAT) mit dem Spektrographen UCLES beobachtet wird (wobei der Gasriese entdeckt worden war). Außerdem lagen Beobachtungen des HARPS-Spektrographen am ESO 3,6-m-Teleskop in La Silla, Chile, vor. Die kleine Supererde war nicht erkannt worden. Die Autoren subtrahierten nun den Effekt des bekannten Planeten aus den Spektren und wurden fündig. Man fand ein Signal mit einer 6,27-tägigen Periode, die auch zeitlich konsistent zu den mit TESS bestimmten Zeitpunkten der Transits war.

Aus den Spektren folgte die Masse des Planeten mit 4,8 Erdmassen, was für einen Planeten mit dem fast Zehnfachen des Erdvolumens wenig ist. Wie unten im Bild zu sehen, ist die Dichte des Planeten konsistent mit der von Wasser, was in der Praxis bedeutet, dass er einen dichteren Gesteinskern umgeben von einem Mantel aus Wasser, Methan, Wasserstoff und Helium haben dürfte.

Da der Stern relativ nahe ist, besteht die Hoffnung, dass das James-Webb-Weltraumteleskop die Atmosphäre des Planeten wird detektieren können, allerdings nicht die atmosphärische Hülle des Planeten selbst, wenn er vor dem Stern durchzieht, dafür dürfte sie zu schmal sein, aber vielleicht von Gas, das dem Planeten unter der intensiven Bestrahlung durch seinen Stern entweicht.

Am 20. September folgte schon die zweite Meldung eines TESS-Planeten. Roland K. Vanderspek und andere [2] (mit teilweise den gleichen Teammitgliedern wie oben) berichten über den Fund einer “heißen Erde” von 1,32 Erddurchmessern in einem 11-h-Orbit (ja, Stunden!) um den Roten Zwerg LHS 3844 in 48,9 Lichtjahren Entfernung, die folglich die Bezeichnung LHS 3844b zugewiesen bekam. Der Stern hat etwa 15% der Sonnenmasse und 1/5 Sonnendurchmesser, also rund 2 Jupiterdurchmesser. Der Planet umkreist ihn in nur 7,1 Sternradien Abstand, wo die Gleichgewichtstemperatur (für einen Planeten mittlerer Albedo und ohne Treibhausgase in der Atmosphäre) über 500°C beträgt.

Auch für diesen Planeten fand man frühere Beobachtungen von der Erde aus, allerdings diesmal keine Spektren, sondern Helligkeitsmessungen, und in Nachfolgebeobachtungen zwischen dem 6. und 16. September 2018 konnten weitere Transits des Planeten mit irdischen Teleskopen beobachtet werden. Man versuchte auch, die Masse des Planeten mit Hilfe von hochauflösenden Spektren zu finden, aber die Genauigkeit reichte nur aus für eine Massenobergrenze von 0,96 Jupitermassen, definitiv zu hoch für so einen kleinen Planeten, so dass auch seine Dichte noch ungeklärt bleibt.

LHS 3844b ist einer der nächsten bekannten Planeten, kaum weiter entfernt als das berühmte TRAPPIST-1-System. Da der Stern zudem vergleichsweise lichtschwach ist, halten die Autoren den Planeten für einen guten Kandidaten, seine Atmosphäre in der Durchsicht beim Transit zu untersuchen. Falls er noch eine haben sollte, denn wäre er dort entstanden, wo er sich jetzt befindet, dann wäre die Atmosphäre wohl vom Sternenwind des in seiner Jugend aktiveren Sterns weggeblasen worden. Bei den vom Weltraumteleskop Kepler gefundenen Planeten mit kleiner Umlaufzeit zeigte sich für Planeten unterhalb von 1,8 Erddurchmessern eine sprunghafte Abnahme des Planetendurchmessers, was als Anzeichen gedeutet wurde, dass Planeten unterhalb dieser Größe den anfangs massiven Wasserstoff- und Heliumanteil ihrer Atmosphäre unter der Strahlung ihres nahen Muttersterns nicht dauerhaft halten können. Das wäre demnach auch für LHS 3844b zu erwarten, aber vielleicht findet sich noch eine Restatmosphäre aus schweren Gasen.

Der nächste Schritt wird jedoch sein, die Masse des Planeten durch gezielte Beobachtungen mit präziseren Spektrographen zu bestimmen.

TESS liefert also wie erhofft, und wir können uns auf eine Flut neuentdeckter Planeten um Sterne in geringer Entfernung zur Sonne freuen. Wenn es etwas besonderes zu berichten gibt, werde ich das hier selbstverständlich aufgreifen.

 

Referenzen

[1] Chelsea X. Huang,  Jennifer Burt, Andrew Vanderburg et al., “TESS Discovery of a Transiting Super-Earth in the Π Mensae System“, eingereicht am 16.09.2018 bei The Astrophysical Journal Letters; arXiv:1809.05967.

[2] Roland Vanderspek, Chelsea X. Huang, Andrew Vanderburg et al., “TESS Discovery of an ultra-short-period planet around the nearby M dwarf LHS 3844“, eingereicht bei The Astrophysical Journal Letters; arXiv:1809.07242.