Cheops enthüllt einen rugbyballförmigen Exoplaneten - Panorama

CHEOPS (für CHaracterising ExOPlanet Satellite) ist ein Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit dem Missionsziel, Exoplaneten in der näheren Umgebung der Erde zu charakterisieren und zu untersuchen. Es wird dafür etwa 400 Sterne mit bereits bekannten Planetensystemen aus einer Erdumlaufbahn beobachten. Der Satellit ist die erste einer möglichen Reihe sogenannter S-Klasse-Missionen, die innerhalb vergleichsweise kurzer Zeit (von 4 Jahren) und mit einem überschaubaren Budget realisiert werden sollen. Wie die ESA am 19. Oktober 2012 bekannt gab, wurde die Mission aus insgesamt 26 Vorschlägen ausgewählt, die im Frühjahr des Jahres 2012 angefordert worden waren. Hauptpartner der ESA ist die Schweiz, weitere Beiträge kommen aus zehn anderen Ländern. Der Ausgangspunkt des Satellitenaufbaues basiert auf dem AstroBus von Airbus. Am 18. Dezember 2019 startete eine Sojus-Rakete mit dem Teleskop an Bord ins All. Im heurigen Jahr hätte die Mission von Cheops eigentlich auslaufen sollen, doch die Anlage arbeitet noch einwandfrei. CHEOPS (Characterising Exoplanets Satellite) ist ein kleiner Satellit, der nahegelegene, helle Sterne anvisieren soll, von denen bereits bekannt ist, dass sie von Planeten umkreist werden. Durch hochpräzise Überwachung der Helligkeit des Sterns werden Wissenschaftler nach den verräterischen Anzeichen eines &bdquo;Transits“ suchen, wenn ein Planet kurz über seine Oberfläche hinwegzieht. Dies wiederum ermöglicht eine genaue Messung des Planetenradius. Für Planeten mit bekannter Masse wird die Dichte ermittelt, die Aufschluss über die innere Struktur gibt. Diese Schlüsselparameter werden Wissenschaftlern helfen, die Entstehung von Planeten zu verstehen, die ein paar Mal so groß wie die Erde sind – &bdquo;Super-Erden“ – bis hin zu Welten in der Größe von Neptun. Es wird auch Planeten mit bedeutenden Atmosphären identifizieren und die Wanderung von Planeten während der Entstehung und Entwicklung ihrer Muttersysteme einschränken. Die Mission wird auch einzigartige Ziele für detailliertere Studien der Atmosphären von Exoplaneten durch die nächste Generation von Teleskopen liefern, die derzeit gebaut werden, wie das bodengestützte &bdquo;European Extremely Large Telescope“ und das NASA/ESA/CSA James Webb-Space-Telescope inzwischen sind. Ultrahohe Präzision CHEOPS wird als Partnerschaft zwischen der ESA und der Schweiz umgesetzt, wobei eine Reihe anderer ESA-Mitgliedstaaten ebenfalls substanzielle Beiträge leisten werden. CHEOPS verfügt über ein Instrument: ein Photometer mit einem einzigen CCD, das hauptsächlich im sichtbaren Bereich arbeitet, also in der Brennebene eines Teleskops mit 32 cm Durchmesser. Alle Plattformanforderungen zielen darauf ab, die Funktionalität der Nutzlast und ihre ultrahohe photometrische Präzision zu unterstützen. Die wichtigsten Auswirkungen auf die Plattform beziehen sich auf die Ausrichtungsfähigkeiten und die thermische Umgebung der Nutzlast. WASP-103 ist ein Hauptreihenstern vom Typ F, der 1.800 ± 100 Lichtjahre (550 ± 30 Parsec) entfernt im Sternbild Herkules liegt. Seine Oberflächentemperatur beträgt 6.110 ± 160 Kelvin (K). Die Konzentration schwerer Elemente im Stern ähnelt der der Sonne. WASP-103 ist mit 4 ± 1 Milliarde Jahren etwas jünger als die Sonne. Die chromosphärische Aktivität des Sterns ist aufgrund der Wechselwirkung mit dem Riesenplaneten auf einer nahen Umlaufbahn erhöht. Eine Multiplizitätsuntersuchung im Jahr 2015 ergab einen mutmaßlichen Sternbegleiter von WASP-103 in einem projizierten Abstand von 0,242 Zoll±0,016Zoll. Das Planetensystem Die Planetenatmosphäre enthält Wasser und möglicherweise Blausäure, Titan(II)-oxid oder Natrium. Der Planet hat einen erhöhten molaren Anteil von Kohlenstoff zu Sauerstoff, daher ist es fast sicher, dass es sich um einen Kohlenstoffplaneten handelt. Die planetarische Gleichgewichtstemperatur beträgt 2.484 ± 67 K, obwohl zwischen der Nacht- und der Tagseite ein großer Unterschied besteht. Die Tagestemperatur beträgt 2.930 ± 40 K, während die Nachttemperatur 1.880 ± 40 K beträgt. Der als WASP-103b bekannte Planet befindet sich im Sternbild Herkules. Es wurde durch die starken Gezeitenkräfte zwischen dem Planeten und seinem Mutterstern WASP-103 deformiert, der etwa 200 Grad heißer und 1,7-mal größer als die Sonne ist. Wir erleben Gezeiten in den Ozeanen der Erde, hauptsächlich weil der Mond leicht an unserem Planeten zieht, während er uns umkreist. Auch die Sonne hat einen kleinen, aber erheblichen Einfluss auf die Gezeiten, ist jedoch zu weit von der Erde entfernt, um größere Verformungen unseres Planeten zu verursachen. Das Gleiche gilt nicht für WASP-103b, einen Planeten, der mit seiner 1,5-fachen Masse fast doppelt so groß wie Jupiter ist und seinen Mutterstern in weniger als einem Tag umkreist. Astronomen haben vermutet, dass eine so große Nähe zu gewaltigen Gezeiten führen würde, doch bisher konnten sie diese nicht messen. Mithilfe neuer Daten des ESA-Weltraumteleskops Cheops, kombiniert mit Daten, die bereits vom NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble und dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA gewonnen wurden, konnten Astronomen nun nachweisen, wie Gezeitenkräfte den Exoplaneten WASP-103b aus einer gewöhnlichen Kugel verformen in die Form eines Rugbyballs bringen. Cheops misst bei Exoplaneten-Transiten den Lichtabfall, der aus unserer Sicht entsteht, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht. Normalerweise liefert die Untersuchung der Form der Lichtkurve Details über den Planeten, beispielsweise seine Größe. Die hohe Präzision von Cheops und seine Ausrichtungsflexibilität, die es dem Satelliten ermöglicht, zu einem Ziel zurückzukehren und mehrere Transite zu beobachten, haben es Astronomen ermöglicht, das winzige Signal der Gezeitenverformung von WASP-103b zu erfassen. Diese eindeutige Signatur kann genutzt werden, um noch mehr über den Planeten zu enthüllen. &bdquo;Es ist unglaublich, dass Cheops tatsächlich in der Lage war, diese winzige Verformung aufzudecken“, sagt Jacques Laskar vom Pariser Observatorium der Université Paris Sciences et Lettres und Mitautor der Forschung. &bdquo;Dies ist das erste Mal, dass eine solche Analyse durchgeführt wurde, und wir können hoffen, dass die Beobachtung über einen längeren Zeitraum diese Beobachtung stärkt und zu besseren Erkenntnissen über die innere Struktur des Planeten führt.“ Aufgeblasener Planet Das Team konnte die Transitlichtkurve von WASP-103b nutzen, um einen Parameter – die Love-Zahl – abzuleiten, der misst, wie die Masse innerhalb eines Planeten verteilt ist. Das Verständnis der Massenverteilung kann Aufschluss über die innere Struktur des Planeten geben. &bdquo;Der Widerstand eines Materials gegen Verformung hängt von seiner Zusammensetzung ab“, erklärt Susana Barros vom Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço und der Universität Porto, Portugal, und Hauptautorin der Studie. &bdquo;Zum Beispiel haben wir hier auf der Erde Gezeiten aufgrund des Mondes und der Sonne, aber wir können Gezeiten nur in den Ozeanen sehen. Der felsige Teil bewegt sich nicht so sehr. Indem wir messen, wie stark der Planet deformiert ist, können wir sagen, wie viel davon aus Gestein, Gas oder Wasser besteht.“ Die Love-Zahl (benannt nach dem Wissenschaftler Edward Love, das sind Parameter, mit denen die Wirkung von Kräften - z.B. Gezeiten, zentrifugale Rotation - auf das Gravitationsfeld eines Himmelskörpers berechnet wird) für WASP-103b ähnelt der von Jupiter, was vorläufig darauf hindeutet, dass die innere Struktur ähnlich sein muss, obwohl WASP-103b den doppelten Radius hat. &bdquo;Im Prinzip würden wir erwarten, dass ein Planet mit der 1,5-fachen Masse des Jupiter ungefähr die gleiche Größe hat, daher muss WASP-103b aufgrund der Erwärmung durch seinen Stern und möglicherweise anderer Mechanismen stark aufgebläht sein“, sagt Susana Barros. &bdquo;Wenn wir die Details seiner inneren Struktur durch zukünftige Beobachtungen bestätigen können, könnten wir vielleicht besser verstehen, warum es so aufgeblasen ist. Es wird auch wichtig sein, die Größe des Kerns dieses Exoplaneten zu kennen, um besser zu verstehen, wie er entstanden ist.“ Da die Unsicherheit der Love-Zahl immer noch recht hoch ist, werden zukünftige Beobachtungen mit Cheops und dem James-Webb-Weltraumteleskop (Webb) erforderlich sein, um die Details zu entschlüsseln. Die extrem hohe Präzision von Webb wird die Messungen der Gezeitenverformung von Exoplaneten verbessern und einen besseren Vergleich zwischen diesen sogenannten &bdquo;heißen Jupitern“ und Riesenplaneten im Sonnensystem ermöglichen. Geheimnisvolle Bewegung Ein weiteres Rätsel umgibt auch WASP-103b. Die Gezeitenwechselwirkungen zwischen einem Stern und einem sehr nahen Jupiter-großen Planeten führen normalerweise dazu, dass sich die Umlaufzeit des Planeten verkürzt und er sich allmählich dem Stern nähert, bevor er schließlich vom Mutterstern verschlungen wird. Messungen von WASP-103b scheinen jedoch darauf hinzudeuten, dass die Umlaufzeit möglicherweise zunimmt und der Planet langsam vom Stern wegdriftet. Dies würde darauf hindeuten, dass etwas anderes als die Gezeitenkräfte der dominierende Faktor sind.