Bestätigung für einen chancenlosen Planeten
Der Planet Kepler-91b hat keine Chance: in rund 55 Millionen Jahren wird er von seinem Stern verschluckt werden. Doch seine Existenz schien noch auf andere Art bedroht: Zwei Studien legten nahe, es handle sich gar nicht um einen Planeten, sondern vielleicht um einen schwach leuchtenden Stern. Zumindest diese Bedrohung ist jetzt abgewendet: Neue Beobachtungen mit dem CAFE-Spektrografen am Calar-Alto-Observatorium konnten bestätigen, dass es sich in der Tat um einen Planeten handelt. Allgemeiner bestätigt das Ergebnis die Gültigkeit der innovativen Nachweismethode, die bei der Entdeckung von Kepler-91b angewandt wurde.
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Als eine Gruppe von Astronomen, zu der auch Amelia Bayo und Luigi Mancini vom Max-Planck-Institut für Astronomie gehören, im Dezember 2013 die Entdeckung des Planeten Kepler-91b bekanntgaben, stieß die Nachricht vor allem aufgrund des Schicksals auf Interesse, das dem Planeten bevorsteht: In 55 Millionen Jahren – astronomisch gesehen eine sehr kurze Zeitspanne – wird der Planet von seinem Stern, einem Roten Riesen, verschluckt werden. Ein ähnliches Schicksal steht der Erde in rund 5 Milliarden Jahren bevor, wenn die Sonne ebenfalls zum Roten Riesen wird.
Die Astronomen unter der Leitung von Jorge Lillo vom Zentrum für Astrobiologie (CAB) in Madrid hatten dabei eine ungewöhnliche Nachweismethode angewandt. Sie nutzten Daten des NASA-Weltraumteleskops Kepler und untersuchten ein Kandidatenobjekt mit der Katalognummer KOI2133.01, das bis dahin noch nicht als Planet hatte bestätigt werden können. Auf die Daten wandten sie eine derzeit noch recht ungewöhnliche Analysemethode an: Das Kepler-Teleskop weist Planetenkandidaten nach, in dem es nach dem leichten Helligkeitsabfall sucht, der eintritt, wenn ein Planet aus Sicht eines irdischen Beobachters vor seinen Stern tritt. Lillo und Kollegen bezogen bei ihrer Auswertung noch eine Reihe weiterer Effekte mit ein: Helligkeitsänderungen durch Licht etwa, das von dem Planeten reflektiert wird, und solche, die sich ergeben, weil die Schwerkraft des Planeten den Stern leicht deformiert. Ihre Auswertung ergab, dass der Stern in der Tat einen Planeten besitzt: Kepler-91b.
Derart detaillierte Analysen der Helligkeitsveränderungen (Astronomen sagen: der Lichtkurve) sind vergleichsweise neu und selten – und zunächst war unklar, ob sie überhaupt zuverlässig genug sind, um Planeten sicher nachzuweisen. Zwei andere Wissenschaftlergruppen (Esteves et al. 2013 und Sliski & Kipping 2014) argumentierten denn auch, dass es sich bei Kepler-91b vielleicht doch um einen leuchtschwachen Stern oder Braunen Zwerg handle, nicht um einen Planeten.
Jetzt haben spektroskopische Beobachtungen mit dem neuen Spektrografen CAFE (Calar Alto Fiber-fed Echelle spectrograph) am Observatorium Calar Alto in Spanien Klarheit geschaffen und die unabhängige Bestätigung erbracht, dass es sich doch um einen Planeten handelt. Kepler-91b besitzt demnach 10% mehr Masse als der Jupiter; das entspricht den Abschätzungen aus den früheren Untersuchungen. Es handelt sich um den ersten bestätigten Planeten eines Roten Riesensterns, der allein aufgrund seiner Lichtkurve als Planet identifiziert wurde.
Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie, der sowohl an der ursprünglichen Entdeckung als auch an der neuen Bestätigung beteiligt war, sagt: »Das ist ein sehr schönes Ergebnis. Unsere Entdeckung von Kepler-91b hatte gezeigt, welchen Reichtum an Daten das Kepler-Teleskops liefert – und dass herkömmliche Analysemethoden nur einen kleinen Teil davon verwerten. Daher freue ich mich, dass unsere neuartige Form der Auswertung jetzt durch unabhängige Beobachtungen bestätigt werden konnte.«
Auch für die Mitarbeiter am Calar Alto-Observatorium sind die neuen Beobachtungen etwas ganz Besonderes: CAFE, seit 2011 in Betrieb, ist das erste Instrument, das direkt am Observatorium konstruiert wurde, und dies ist die erste Bestätigung eines Exoplaneten, die auf Daten vom Calar Alto beruht. David Barrado, wissenschaftlicher Mitarbeiter am CAB und ehemaliger Direktor des Calar Alto-Observatoriums, sagt: »CAFE hat uns positiv überrascht – seine Daten sind von besserer Qualität, als wir erhofft hatten. So können wir die Beobachtungszeit sehr effektiv nutzen. Und da wir weiterhin daran arbeiten, den Kalibrationsprozess für das Instrument zu verbessern, dürfte CAFE in Zukunft sogar noch besser arbeiten.«
Die hohe Qualität der CAFE-Daten ist ein gutes Zeichen für die Entwicklung des Nachfolgeinstruments CARMENES, das derzeit von einem deutsch-spanischen Konsortium entwickelt wird, zu dem auch das Max-Planck-Institut für Astronomie, das Instituto de Astrofísica de Andalucía und die Landessternwarte Königstuhl (Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg) gehören. Ab 2016 soll CARMENES nach erdähnlichen Planeten suchen, die kleine rötliche Sterne umkreisen, sogenannte M-Zwerge.
Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse sind zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics Letters akzeptiert als Lillo-Box et al., »Radial velocity confirmation of Kepler-91b. Additional evidence of its planetary nature using the Calar Alto/CAFE instrument«.
Die Koautoren sind J. Lillo-Box (Astrophysics Department, Center of Astrobiology, CSIC-INTA, Spanien); D. Barrado (Astrophysics Department, Center of Astrobiology, CSIC-INTA, Spanien); T. Henning (Max-Planck-Institut für Astronomie; MPIA); L. Mancini (MPIA); S. Ciceri (MPIA); P. Figueira (Centro de Astrofísica, Universidade and Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto, Portugal); N.C. Santos (Centro de Astrofísica, Universidade and Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto, Portugal); J. Aceituno (Centro Astronómico Hispano-Alemán, Calar Alto Observatory, Spanien) und S. Sánchez (Instituto de Astronomía,Universidad Nacional Autonóma, México)
Fragen und Antworten
Was ist neu/ungewöhnlich an der Entdeckung und Bestätigung von Kepler-91b?
Zwischen 2009 und 2013 hat das NASA-Weltraumteleskop Kepler die Helligkeit von rund 190.000 Sternen mit bislang unerreichter Genauigkeit überwacht. Besitzt einer jener Sterne einen Planeten, und führt seine Umlaufbahn den Planeten wiederholt zwischen Stern und Beobachter vorbei, kommt es zu einer partiellen Sternfinsternis: Die Helligkeit des Sterns nimmt regelmäßig vorübergehend ein wenig ab. Eine solche Helligkeitsverminderung kann freilich auch andere Gründe haben, etwa das Vorhandensein dunkler Flecken auf der Oberfläche des Sterns ("Sternflecken"). Hat das Kepler-Teleskop eine solche Helligkeitsverminderung gefunden, wird dies daher zunächst nur als Planetenkandidat gehandelt. Ob es sich um einen Planeten handelt, muss dann erst noch bestätigt werden. Eine Standardmethode dafür sind spektroskopische Beobachtungen, die Rückschlüsse auf die Bewegung eines Sterns zulassen, der gemeinsam mit einem Planeten um den gemeinsamen Schwerpunkt kreist ("Radialgeschwindigkeitsmethode"). Jüngst hat das Kepler-Team noch ein anderes Bestätigungsverfahren angewandt, das statistischer Natur ist. Das Verfahren nutzt aus, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass Störeffekte etwa durch Sternflecken den genauen Helligkeitsverlauf nachbilden können, wie er durch ein Mehrfachplanetensystem entsteht.
Kepler-91b wurde nicht durch diese Standardmethoden als Planet bestätigt, sondern auf andere Weise: durch eine ungewöhnlich detaillierte Untersuchung der Lichtkurve, also der Helligkeitsveränderungen des Sterns. Diese Untersuchung berücksichtigte nicht nur die partielle Sternfinsternis selbst, sondern auch kleinere Effekte, beispielsweise die geringe eigene Strahlung des Planeten, das vom Planeten reflektierte Sternenlicht, Helligkeitseffekte aufgrund von Verformungen, die der Stern durch die Schwerkraft des Planeten erfährt und solche, die sich aus der Bewegung des Sterns um den gemeinsamen Schwerpunkt ergeben (»Doppler beaming«). Diese Art von Bestätigung war vorher nur bei einer Handvoll von Planeten zum Einsatz gekommen (verglichen mit hunderten auf andere Weise bestätigten Planeten). Das macht die jetzt erfolgte unabhängige Bestätigung von Kepler-91b durch die Radialgeschwindigkeitsmethode besonders wertvoll: Die neuen Messungen bestätigen nicht nur den Planeten, sondern auch die neue Auswertungsmethode, die in Zukunft noch viele interessante Anwendungen finden dürfte.
Kepler-91b ist außerdem der erste bestätigte Planet, der durch die Transitmethode gefunden wurde und der einen Roten Riesenstern umkreist. Transits bei Riesensternen sind besonders schwierig nachzuweisen, da diese Sterne soviel größer sind als ihre Planeten, so dass die Helligkeitsveränderungen, die sich aus der Anwesenheit des Planeten ergeben, im Vergleich zur Gesamthelligkeit besonders klein sind. Kepler-91b ist derzeit das einzige Beispiel für einen Planeten, der einen Roten Riesen umkreist und für den sowohl ein Transit nachgewiesen als auch die Geschwindigkeit mit der Radialgeschwindigkeitsmethode bestimmt wurde.
Welche Instrumente und Teleskopen kamen bei den Beobachtungen zum Einsatz?
Die ursprüngliche Auswertung bediente sich der Lichtkurven-Daten des NASA-Weltraumteleskops Kepler und ergänzender Beobachtungen durch die Lucky-Imaging-Kamera AstraLux am 2,2-Meter-Teleskop auf dem Calar Alto. Die neuen Daten (Radialgeschwindigkeit) lieferte der CAFE-Spektrograf am 2,2-Meter-Teleskop auf dem Calar Alto.
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