Wunderbarer Blick auf einen entstehenden Planeten
Astrophysics (IPA)
Beobachtungen von PDS 70 b – einem Exoplaneten, der sich noch im Entstehungsprozess befindet – im mittleren Infrarot bieten einzigartige Einblicke in seine atmosphärischen Eigenschaften und die Mechanismen, wie Planeten aus einer zirkumstellaren Scheibe aus Gas und Staub heraus entstehen.
Vor beinahe auf den Tag genau 25 Jahren, am 23. November 1995, wurde die erste Entdeckung eines Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems berichtet [1]. Dieser Durchbruch löste eine Entwicklung aus, die oft als „Exoplanetenrevolution“ bezeichnet wird – und er brachte den Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz vergangenes Jahr den Nobelpreis für Physik ein (gemeinsam mit dem kanadisch-amerikanischen Kosmologen James Peebles). Heute werden jedes Jahr Hunderte neuer Exoplaneten entdeckt, und die Entdeckungsrate nimmt immer weiter zu. Gleichzeitig können die Atmosphären und Umlaufbahnen von Exoplaneten mit stets steigender Detailtiefe charakterisiert werden.
Ein eindrückliches Beispiel ist eine neu veröffentlichte Studie [2] eines internationalen Astronomenteams unter der Leitung von Dr. Tomas Stolker, einem ehemaligen ETH-Fellow in der Gruppe von Professor Sascha Quanz am Institut für Teilchenphysik und Astrophysik und jetzt Fellow an der Universität Leiden in den Niederlanden. Das Team hat eine einzigartige Untersuchung bei Wellenlängen im mittleren Infrarot durchgeführt und so neue Einblicke in den zuvor entdeckten Exoplaneten PDS 70 b erhalten. Dieser riesige Planet befindet sich noch im Entstehungsprozess, während dessen er Gas und Staub in seiner Umlaufbahn um einen jungen Stern «auffegt». Die neuen Beobachtungen tragen zu einem tieferen Verständnis der Atmosphäre solcher entstehenden Planeten und der physikalischen Prozesse bei, die ihre Entstehung antreiben.
Die von Stolker geführte Durchmusterung trägt den Namen MIRACLES (Mid-InfraRed Atmospheric Characterization of Long-Period Exoplanets and Substellar Companions; aber auch Englisch für «Wunder») und wurde konzipiert, um die Atmosphäre direkt abgebildeter Exoplaneten und Brauner Zwerge bei Wellenlängen von 4–5 µm systematisch zu charakterisieren [3]. Das Team – das Wissenschaftler aus der Schweiz, Deutschland, den Niederlanden und den USA zusammenbringt – verwendet das Very Large Telescope (VLT) am Paranal-Observatorium in Chile in Kombination mit kontrastreichen Bildgebungstechniken, um das Licht von relativ jungen Planeten direkt zu erfassen, die immer noch bei Infrarotwellenlängen leuchten. Durch Beobachtung bei 4–5 µm bietet die MIRACLES-Durchmusterung ein einsichtsreiches Fenster in die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser riesigen Exoplaneten.
Für die jetzt berichtete Studie richteten die Forscher das VLT auf PDS 70 aus, einen jungen Stern im Sternbild Zentaur in etwa 370 Lichtjahren Entfernung. Dieser Stern zeichnet sich dadurch aus, dass in seiner Umlaufbahn bereits zwei Planeten entdeckt wurden, die beide noch in der «Geburtsumgebung» der zirkumstellaren Scheibe wachsen (siehe Abbildung). Einer der Planeten, PDS 70 b, wurde nun im Rahmen der MIRACLES-Durchmusterung genauer charakterisiert. Die neuen Daten, zusammen mit der erneuten Untersuchung von Archivdaten, ermöglichten es Stolker et al., wichtige Einschränkungen für Masse, Radius und Leuchtkraft von PDS 70 b zu bestimmen. Die Analyse zeigte auch, dass der Planet in eine ausgedehnte staubige Umgebung eingebettet ist, die durch Gas und Staub von der zirkumstellaren Scheibe wieder aufgefüllt wird.
Ergebnisse wie diese unterstreichen, dass die Exoplanetenrevolution immer noch in vollem Schwung ist. Auch wird in naher Zukunft ein neuer Imager und Spektrograph – ERIS, zu dem ETH-Forschende wichtige Beiträge geleistet haben – am VLT in Betrieb gehen. Dieses Instrument wird es ermöglichen, noch schwächer leuchtende Exoplaneten zu erkennen und zu charakterisieren.
Literaturhinweise
- Mayor M, Queloz D: A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature 378, 355 (1995). externe Seitehttps://doi.org/10.1038/378355a0 externe SeiteFree-to-read version
- Stolker T, Marleau G-D, Cugno G, Mollière P, Quanz SP, Todorov KO, Kühn J: MIRACLES: atmospheric characterization of directly imaged planets and substellar companions at 4–5 μm - II. Constraints on the mass and radius of the enshrouded planet PDS 70 b. Astronomy & Astrophysics, 644, A13 (2020). externe Seitehttps://doi.org/10.1051/0004-6361/202038878
- Stolker T, Quanz SP, Todorov KO, Kühn J, Mollière P, Meyer MR, Currie T, Daemgen S, Lavie B: MIRACLES: atmospheric characterization of directly imaged planets and substellar companions at 4–5 μm - I. Photometric analysis of β Pic b, HIP 65426 b, PZ Tel B, and HD 206893 B. Astronomy & Astrophysics, 635, A182 (2020). externe Seitehttps://doi.org/10.1051/0004-6361/201937159