XMM-Newton, das Röntgenteleskop der Europäischen Weltraumagentur ESA hatte zwar genau im richtigen Moment den richtigen Stern beobachtet. Aber es war nur eine einzige Beobachtung und die Daten waren sehr verrauscht. Der Stern um den HD 189733b kreist ist magnetisch aktiv und das erzeugt viel zusätzliche störende Röntgenstrahlung. Mit etwas Fantasie konnte man zwar einen kleinen Abfall der Röntgenstrahlung zum Zeitpunkt des Transits erkennen, aber es war ungefähr so, als wollte man in einer lauten Kneipe ein geflüstertes Gespräch belauschen, wie Poppenhaeger im Bericht über ihre Entdeckung schreibt. Gegen Rauschen helfen nur mehr Daten und die bekam Poppenhaeger vom Chandra-Röntgenteleskop der NASA. Sie konnte sechs Transits des Planeten beobachten und die Kombination aller Beobachtungsdaten erlaubte es, das störende Röntgenrauschen des Sterns zu eliminieren, so dass der Transit deutlich sichtbar wurde. Die Ergebnisse der Arbeit kann man im Artikel “Transit observations of the Hot Jupiter HD 189733b at X-ray wavelengths” nachlesen. So sehen die Daten aus:

Bild: Poppenhaeger et al., 2013

Bild: Poppenhaeger et al., 2013

Das Diagramm zeigt, wie stark die Helligkeit des Sterns während eines Transits im Röntgenlicht bzw. dem normalen Licht im Vergleich zum Normalwert abgefallen ist. Die vielen kleinen Punkte zeigen den Abfall im optischen Bereich an, die Dreiecke sind die Messwerte des Röntgenteleskops. Die gestrichelte Linie zeigt das Modell an, dass am besten zu diesen Messerwerten passt. Man erkennt deutlich, dass die Helligkeit des Sterns im Röntgenbereich viel stärker abfällt als beim normalen Licht. HD 189733b ist also tatsächlich im Röntgenlicht “größer”. Er blockiert zwischen 6 und 8 Prozent der vom Stern ausgesandte Röntgenstrahlung aber nur 2,4 Prozent des optischen Lichts. Daraus folgt, dass der Radius des Planeten im Röntgenlicht betrachtet knapp 60.000 Kilometer größer ist als im normalen Licht!

Künstlerische Darstellung von HD 189733b vor seinem Stern. Oben rechts sieht man eine echte Röntgenaufnahme des Sterns. Der größte der drei rosa Punkte ist der Stern selbst. Rechts von ihm sein Begleitsstern - es handelt sich um ein Doppelsternsystem. Der dritte helle Punkt unten ist ein Hintergrundstern der mit der ganzen Sache nichts zu tun hat. (Bild: X-ray: NASA/CXC/SAO/K.Poppenhaeger et al; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)

Künstlerische Darstellung von HD 189733b vor seinem Stern. Oben rechts sieht man eine echte Röntgenaufnahme des Sterns. Der größte der drei rosa Punkte ist der Stern selbst. Rechts von ihm sein Begleitsstern – es handelt sich um ein Doppelsternsystem. Der dritte helle Punkt unten ist ein Hintergrundstern der mit der ganzen Sache nichts zu tun hat. (Bild: X-ray: NASA/CXC/SAO/K.Poppenhaeger et al; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)

Diese Beobachtung ist aus mehreren Gründen wichtig. Erstens, weil man sie gemacht hat. Es wurde gezeigt, dass man den Transit von Exoplaneten im Röntgenlicht nachweisen kann. Zweitens weiß man nun, dass es sich lohnt, solche Beobachtungen zu machen. Man lernt tatsächlich mehr über die Planeten. In diesem Fall ist der Planet viel größer, als man bisher dachte. Und drittens hat diese Beobachtung Konsequenzen für unser Verständnis solcher großen und heißen Planeten auf engen Umlaufbahnen. Wenn ihre Atmosphäre weiter hinaus ins All reicht als man bisher dachte, dann evaporieren sie auch schneller. Denn sie werden von ihrem Stern so stark aufgeheizt, dass die Atmosphäre regelrecht verdampft. Bei HD 189733b geschieht das zwischen 25 und 65 Prozent schneller als man bisher dachte.

Es war die erste Beobachtung dieser Art und aus Einzelfällen kann man selten allgemeine Schlüsse ziehen. Die Röntgenteleskope werden aber hoffentlich bald noch mehr Exoplaneten beobachten und dann werden wir wissen, ob sich die Erkenntnisse die hier gewonnen wurden, verallgemeinern lassen. Ich bin gespannt.

P.S. Mehr über Exoplaneten gibts übrigens in dieser Serie.

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Kommentare (17)

  1. #1 Alderamin
    6. August 2013

    Ganz schön clever. Und verblüffend. Röntgenstrahlung geht nicht durch die Atmosphäre, aber Licht. Obwohl sie sonst durch den menschlichen Körper geht (klar, kommt auf die Beleuchtungsstärke und die Wegstrecke an).

    Nun schirmt die Erdatmosphäre auch andere Strahlung ab, z.B. hartes UV (dank Ozonschicht). Da könnte man je evtl. bei anderen Wellenlängen ebenfalls andere Durchmesser bestimmen und daraus Rückschlüsse über die Dichte und Zusammensetzung der Planetenatmosphäre schließen. Ganz ohne Spektroskopie.

  2. #2 Frank Melle
    6. August 2013

    @Florian

    Du schreibst, dass die Erde 100 km größer erscheint. Hat das etwas mit der Kármán-Linie zu tun?

  3. #3 Florian Freistetter
    6. August 2013

    Nein, gar nicht. Diese 100 km Linie ist nur eine recht willkürliche Grenze zwischen Erde und All.

  4. #4 Frank Melle
    6. August 2013

    Also bloß Zufall, dass die Höhenangaben identisch sind? Oder habe ich das mit deinen 100 km vllt falsch verstanden?

    Ich frage deswegen, weil ich mir den Atmosphärenaufbau auf Wiki angeschaut habe.
    Die Mesopause liegt etwa bei 80-85 km, kann aber auch schon bis 100 km reichen (Temperaturabhängigkeit). Daran schließt sich die Thermosphäre an bis eta 500 km.

    Wenn jetzt die Absorption der Röntgenstrahlung nur bis zu einer gewissen Höhe stattfindet, hängt das dann in diesem Fall mit der Mesopause zsm? Oder wird auch in der Thermosphäre noch Röntgenstrahlung absorbiert? Falls ja, muss das ja im unteren Bereich der Thermosphäre stattfinden. Heißt das im Umkehrschluss, dass die Thermosphäre im unteren Bereich nahe der Mesopause dichter ist, als weiter oben?

    Oder sind das alles fließende Übergänge und die Abgrenzungen nur grob gehalten?

  5. #5 Frank Melle
    7. August 2013

    Bzw. mir ist nicht ganz klar, bis zu welcher Höhe Licht absorbiert wird und bis zu welcher Höhe Röntgenstrahlung.
    Worauf werden denn diese 100 km drauf gerechnet?

  6. #6 Florian Freistetter
    7. August 2013

    @Frank Melle: “Also bloß Zufall, dass die Höhenangaben identisch sind? “

    Ja.

    “Oder sind das alles fließende Übergänge und die Abgrenzungen nur grob gehalten?”

    Natürlich ist das alles fließend; auch die Schichten der Atmosphäre varieren ein wenig und die ganzen Höhenangaben sind keine exakten werte.

  7. #7 Alderamin
    7. August 2013

    @Frank Melle

    Zumal der Durchmesser der Erde 200 km größer sein müsste, wenn die Karman-Linie die Grenze wäre, oberhalb der Röntgenstrahlung durchkäme. Sie gilt ja beidseitig der Erdkugel.

  8. #8 Jürgen
    7. August 2013

    Hallo,

    Was bedeutet “regelrecht verdampft” ? Ist damit das entweichen der Gase gemeint oder der Phasenübergang von einer Flüssigkeit zum einem Gas? Ich vermute mal das Erstere.

  9. #9 Florian Freistetter
    7. August 2013

    @Jürgen: Die Atmosphäre wird so weit aufgeheizt, dass sie sich ins All verflüchtigt.

  10. #10 Frank Melle
    7. August 2013

    Danke @Florian und @Alderamin

    Nur verstehe ich nun immer noch nicht so genau, ab welcher Höhe (vom Erdboden ausgehend) Licht nicht mehr absorbiert wird bzw. ab welcher Höhe Röntgenstrahlung nicht mehr absorbiert wird.

  11. #11 Florian Freistetter
    7. August 2013

    @Frank Melle: Naja, sichtbares Licht wird ja ganz offensichtlich NICHT absorbiert, ansonsten würden ja nix sehen vom Weltall.

    Dieser Artikel und die Grafiken dort sollten helfen: https://de.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A4risches_Fenster

  12. #12 Alderamin
    7. August 2013

    @Frank Melle

    Das ist reine Definitionssache. Auch Licht wird zu gewissen Teilen und abhängig von der Wellenlänge in jeder Höhe absorbiert (deswegen geht die Sonne rot unter: der Lichtweg druch die Atmosphäre ist bei tief stehender Sonne lang und alles andere als Rot wird absorbiert bzw. gestreut). Man merkt schon auf ein paar hundert Meter Entfernung, dass helle Gebäude ein wenig bläulich verfärbt erscheinen, weil die Luft zwischen ihnen und dem Betrachter das Sonnenlicht streut.

    Röntgenlicht wird nur viel stärker als Licht absorbiert. Für die 50 km Höhe wird man wohl irgendeinen gescheiten Absorptionsfaktor zu Grunde gelegt haben. 90% Absorption oder 1-1/e oder dergleichen. Ändere diesen Schwellwert und eine andere Höhe kommt raus. Der Rand der Atmosphäre ist nicht scharf.

  13. #13 Frank Melle
    7. August 2013

    Ok, danke für die Aufklärung. Ich bin mir noch nicht sicher ob ich das zu 100% verstanden habe, aber ich lese mich gleich noch weiter ein. Da ich mich erst seit Kurzem mit diesen Dingen befasse, fällt es mir nicht immer leicht, sich das alles richtig vorzustellen.

    Wenn ich das aber richtig verstanden habe, dann sehen wir mit normalen Teleskopen lediglich nur, dass in einem anderen System ein Planet um den Stern kreist. Mit Röntgenteleskopen können wir den ungefähren Durchmesser ermitteln, aber auch diese Messung ist nicht zu 100% sicher?

    Gliese 581 b hat zb einen ungefähren Radius von 17.000 km. Mit Hilfe eines Röntgenteleskops würde man also einen größeren Radius ermitteln.

    Aber worauf beziehen sich nun diese 17.000 km? Vom Mittelpunkt bis zur Planetenoberfläche (also Gesteinskruste oder was auch immer) oder ist da schon ein Teil der Atmosphäre miteinbezogen?

  14. #14 Alderamin
    7. August 2013

    @Frank Melle

    Wenn ich das aber richtig verstanden habe, dann sehen wir mit normalen Teleskopen lediglich nur, dass in einem anderen System ein Planet um den Stern kreist. Mit Röntgenteleskopen können wir den ungefähren Durchmesser ermitteln, aber auch diese Messung ist nicht zu 100% sicher?

    Nicht ganz, auch im Optischen können wir den Durchmesser bestimmen. Der Planet und der Stern sind beide kugelförmig und erscheinen aus der Ferne als Scheiben, die wir jedoch nicht von der Erde aus als solche erkennen können, dafür sind sie viel zu klein. Stelle Dir eine dunkle Fliege vor, die vor einer hellen Straßenlaterne vorbeifliegt, nur Kilometer weit weg. Wenn der Planet vor dem Stern vorbeizieht, verdunkelt er ihn ein wenig. Hat er z.B. 1/10 des Durchmessers der Sternenscheibe, dann wird von ihm 1/100 der Sternenfläche verdeckt und die Helligkeit des Sterns sinkt um 1%. Diese Helligkeitsänderung (und ihre zeitliche Änderung und Dauer) ist alles, was man messen kann, aber das reicht aus, den Durchmesser relativ zum Stern abzuschätzen. Dazu hat man noch die Geschwindigkeit, mit der die Helligkeit absinkt, die einem etwas über die Geschwindigkeit der Bewegung des Planeten und damit über seinen Abstand vom Stern aussagt, und die Dauer der Bedeckung, die damit zusammenhängt, ob der Planet den Stern zentral oder exzentrisch passiert. Der Durchmesser des Sterns wird aus seiner Spektralklasse abgeleitet, wenn ich mich nicht irre, und der gibt einem ein absolutes Maß für den Planetendurchmesser. Wenn Gliese 581 b einen Radius von 17000 km hat, dann ist das der Radius bis zu dem Punkt, an dem die Atmosphäre oder der feste Boden kein sichtbares Licht mehr durchlässt. Jupiter hat z.B. eine Wolkenschicht, die sieht ziemlich scharf begrenzt aus, aber die Atmosphäre darüber ist weitgehend transparent und immer noch vorhanden.

    Im Artikel geht es nun darum, dass der Planet im Röntgenlicht erheblich größer erscheint, weil ein optisch transparenter Teil der Atmosphäre kein Röntgenlicht durchlässt. Dies sagt etwas darüber aus, wie weit sich der im Optischen unsichtbare Teil der Atmosphäre in den Weltraum erstreckt, d.h. wie sehr der Planet durch seine hohe Temperatur aufgebläht wird. Im Sonnensystem gibt’s nämlich keine Entsprechung zu einem heißen Jupiter – unser Jupiter ist kalt und der innere Planet Merkur hat keine Atmosphäre. Außerdem ist gemessen am Standard von heißen Jupitern sehr weit von seinem Mutterstern entfernt.

  15. #15 Compuholic
    8. August 2013

    dann wird von ihm 1/100 der Sternenfläche verdeckt und die Helligkeit des Sterns sinkt um 1%

    Ist zwar wahrscheinlich Korinthenkackerei aber ich bin mir relativ sicher das man das so nicht rechnen kann, weil die Intensität ja nicht über die ganze Scheibe gleichmäßig ist. Keine Ahnung wie groß der Unterschied ist. Vielleicht rechne ich es mal durch, wenn ich Zeit habe…

  16. #16 Alderamin
    8. August 2013

    @Compuholic

    Du hast völlig Recht, wobei die Randverdunklung keine einheitliche Funktion hat (obwohl man einfache Modelle zugrunde legen kann; besser ist, einen Fit für das beste Modell zu entwickeln). In Wahrheit ist das alles viel komplexer als hier dargestellt, wie dieser Link zeigt (Vorsicht, 15 MB). Eine schöne Übersicht über die Transit-Lichtkurvenanalyse gibt dieser kurze Artikel.

  17. #17 Compuholic
    8. August 2013

    @Alderamin: Großartige Links, danke.