Das GRAVITY-Instrument beschreitet Neuland in der Exoplaneten-Bildgebung

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Das GRAVITY-Instrument beschreitet Neuland in der Exoplanet-Bildgebung
HR 8799 im Sternbild Pegasus

Das GRAVITY-Instrument am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der ESO hat die erste direkte Beobachtung eines Exoplaneten mittels optischer Interferometrie vorgenommen. Diese Methode zeigt eine komplexe Atmosphäre eines Exoplaneten mit Wolken aus Eisen und Silikat, die in einem planetenweiten Sturm zirkulieren. Die Technik bietet einzigartige Möglichkeiten, viele der heute bekannten Exoplaneten zu charakterisieren.

Dieses Ergebnis wurde heute in einem Schreiben der GRAVITY Collaboration [1] in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht, in dem sie Beobachtungen des Exoplaneten HR 8799 e mittels optischer Interferometrie präsentieren. Der Exoplanet wurde 2010 im Orbit um den jungen Hauptreihenstern HR 8799 entdeckt, der etwa 129 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Pegasus liegt.

Das heutige Ergebnis, das neue Eigenschaften von HR 8799 e offenbart, erforderte ein Instrument mit sehr hoher Auflösung und Empfindlichkeit. GRAVITY kann die vier VLT-Teleskope der ESO durch eine Technik genannt Interferometrie [2] zusammenschließen, um ein einzelnes größeres Teleskop nachzuahmen. Dadurch entsteht ein Super-Teleskop – das VLTI –, das das Licht aus der Atmosphäre von HR 8799 e und seines Muttersterns sammelt und präzise trennt.

HR 8799 e ist ein „Super-Jupiter“, eine Welt, die im Gegensatz zu allen anderen in unserem Sonnensystem steht, die sowohl massereicher als auch viel jünger ist als alle Planeten, die die Sonne umkreisen. Mit nur 30 Millionen Jahren ist dieser Baby-Exoplanet jung genug, um Wissenschaftlern einen Einblick in die Entstehung von Planeten und Planetensystemen zu geben. Der Exoplanet ist völlig unwirtlich – Restenergie aus seiner Entstehung und ein starker Treibhausgaseffekt heizt HR 8799 e auf eine lebensfeindliche Temperatur von etwa 1000 °C.

Dies ist das erste Mal, dass die optische Interferometrie eingesetzt wird, um Details eines Exoplaneten zu enthüllen. Die neue Technik lieferte ein überaus detailliertes Spektrum von beispielloser Qualität – zehn Mal detaillierter als frühere Beobachtungen. Die Messungen des Teams konnten die Zusammensetzung der Atmosphäre des HR 8799 e aufzeigen – und diese enthielt einige Überraschungen.

„Unsere Analyse zeigte, dass HR 8799 e eine Atmosphäre hat, die weitaus mehr Kohlenmonoxid als Methan enthält - was gemäß der Gleichgewichtschemie nicht zu erwarten ist“, erklärt der Forschungsleiter Sylvestre Lacour, CNRS am Observatoire de Paris – PSL und am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Wir können dieses überraschende Ergebnis am besten erklären, wenn hohe vertikale Winde in der Atmosphäre verhindern, dass das Kohlenmonoxid mit Wasserstoff unter Bildung von Methan reagiert.“

Das Team stellte fest, dass die Atmosphäre auch Wolken aus Eisen- und Silikatstaub enthält. In Kombination mit dem Überschuss an Kohlendioxid deutet dies darauf hin, dass die Atmosphäre von HR 8799 e von einem gewaltigen und heftigen Sturm heimgesucht wird.

„Unsere Beobachtungen deuten auf eine Gaskugel hin, die von innen beleuchtet wird, wobei warme Lichtstrahlen durch stürmische Flecken dunkler Wolken laufen“, erläutert Lacour. „Die Konvektion bewegt sich um die Wolken aus Silikat- und Eisenpartikeln herum, die sich auflösen und ins Innere regnen. So entsteht ein Bild der dynamischen Atmosphäre eines Riesenexoplaneten bei der Geburt, der komplexe physikalische und chemische Prozesse durchläuft.“

Dieses Ergebnis baut auf der Reihe von beeindruckenden Entdeckungen von GRAVITY auf, die bahnbrechende Ergebnisse erbracht haben, wie z. B. die Beobachtung von Gaswirbeln mit 30% der Lichtgeschwindigkeit außerhalb des Ereignishorizonts des massereichen Schwarzen Lochs im Galaktischen Zentrum. Es erweitert zudem das ohnehin schon umfangreiche Arsenal an Methoden, die den Teleskopen und Instrumenten der ESO zur Verfügung stehen, um Exoplaneten zu beobachten und ebnet den Weg zu vielen weiteren beeindruckenden Entdeckungen [4].

Endnoten

[1] GRAVITY wurde in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (Deutschland), LESIA am Pariser Observatorium-PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot und der IPAG an der Université Grenoble Alpes / CNRS (Frankreich), dem Max-Planck-Institut für Astronomie (Deutschland), der Universität Köln (Deutschland), dem CENTRA-Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) und ESO entwickelt.

[2] Interferometrie ist eine Technik, die es Astronomen ermöglicht, ein Super-Teleskop durch die Kombination mehrerer kleinerer Teleskope herzustellen. Das VLTI der ESO ist ein interferometrisches Teleskop, das durch die Kombination von zwei oder mehr der Einzeltleskopen (UTs) des Very Large Telescope oder aller vier kleineren Hilfsteleskope entsteht. Während jedes UT einen beeindruckenden 8,2 Meter großen Hauptspiegel hat, erzeugt die Kombination ein Teleskop mit 25-mal mehr Auflösungsvermögen als ein einzelnes UT, das einzeln beobachtet.

[3] Exoplaneten können mit vielen verschiedenen Methoden beobachtet werden. Einige sind indirekt, wie z. B. die Radialgeschwindigkeitsmethode des Exoplanetenjagd-Instruments HARPS der ESO, das die Geschwindigkeitsänderung misst, die die Schwerkraft eines Planeten auf seinen Mutterstern hervorruft. Direkte Methoden, wie die Technik, die für dieses Ergebnis wegweisend war, beinhalten die Beobachtung des Planeten selbst anstelle seiner Wirkung auf seinen Mutterstern.

[4] Zu den jüngsten Entdeckungen von Exoplaneten, die mit ESO-Teleskopen gemacht wurden, gehören die erfolgreiche Entdeckung einer Super-Erde im Orbit von Barnards Stern, dem nächsten Einzelstern zu unserer Sonne, im vergangenen Jahr und die Entdeckung junger Planeten mit ALMA, die einen neu entstandenen Stern umkreisen, die eine andere neuartige Technik zur Planetenerkennung einsetzte.

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