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Atmosphäre und Klima von Exoplaneten untersuchen

Die Masse und den Durchmesser von Exoplaneten können die Astronomen schon länger bestimmen – zwei Messungen die Rückschlüsse ermöglichen, woraus die Planeten bestehen. Nun versuchen sie, die chemische Zusammensetzung der Exoplaneten-Atmosphären zu ermitteln, falls vorhanden. Dass man bei Exoplaneten Atmosphären entdeckt habe, vermelden die Medien seit einigen Jahren. Doch dies wurde immer wieder in Frage gestellt und erst kürzlich bewiesen. Die PlanetS-Forscher, die auf diesem Gebiet zur Weltspitze gehören, haben Natrium, Eisen und Helium entdeckt, während Astrophysiker von anderen Instituten Wasserdampf nachgewiesen haben.

All diese Highlights – so spektakulär sie auch sein mögen – wurden bei ziemlich grossen Planeten entdeckt, von denen der kleinste die Grösse von Neptun hat. Die Erforschung und Analyse von Exoplaneten-Atmosphären ist heute eines der drei Hauptgebiete des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS (Domain 3). Eines der Ziele ist, die Atmosphäre kleiner Gesteinsplaneten wie der Erde zu erfassen und zu analysieren.

Ist es tatsächlich möglich, Atmosphären zu entdecken und sogar herauszufinden, woraus sie bestehen? Erfordert doch alleine schon der Nachweis von Exoplaneten enorme Ressourcen (den ESPRESSO-Spektrograph beim VLT in Chile oder die Satelliten KEPLER, CHEOPS und TESS). Zwei Techniken werden derzeit von den Astronomen favorisiert, die Transmissionsspektroskopie und die sekundäre Eklipse.

Abnahme der Helligkeit eines Sterns durch den Transit eines Planeten mit und ohne Atmosphäre.

Transmissionsspektroskopie

Wenn ein Planet bei einem sogenannten Transit vor seinem Stern vorbeizieht, verursacht er eine Minifinsternis, die eine kleine Abnahme der Helligkeit des Sterns bewirkt. Diese Abnahme hängt vom Radius des Planeten ab, je grösser der Planet, desto grösser ist die Abnahme. Wenn der Planet eine Atmosphäre hat, erscheint er etwas grösser (der Lichtabfall ist stärker), wenn wir ihn mit einer Wellenlänge betrachten, die dem in der Atmosphäre enthaltenen Element entspricht. «Dies ist eine effektive Technik, aber sie erfordert ein sehr hohes Mass an Präzision und ihre Ergebnisse sind nicht immer einfach zu interpretieren”, erklärt Christophe Lovis, Mitglied von PlanetS: «Bei grossen Planeten wie den heissen Jupiter entspricht der Lichtunterschied der Grössenordnung von etwa 10-3, dies bei einem Transit, dessen Lichtveränderung bereits die Grössenordnung 10-2 hat.»

Obwohl diese Messungen durch die Erdatmosphäre und ihre chemischen Elemente gestört werden, können sie vom Boden aus mit hochauflösenden Spektrographen wie HARPS oder ESPRESSO durchgeführt werden – eine Stärke der PlanetS-Forscher. Bei der Suche nach Sauerstoff in der Atmosphäre von erdähnlichen Exoplaneten werden die Dinge aber noch komplizierter. Für das Paar Erde-Sonne hat die Lichtveränderung etwa die Grössenordnung 10-6. «Das lässt sich mit bestehenden Instrumenten unmöglich erreichen», seufzt Christophe Lovis: «Aber wenn wir uns viel kleinere M-Zwergsterne wie TRAPPIST-1 ansehen, steigt das Verhältnis auf 10-5 und dies könnte möglich werden mit dem James-Webb-Space-Telescope JWST oder mit den neuen Infrarot-Spektrographen wie NIRPS oder HIRES auf dem Extremely Large Telescope ELT.

Subtraktion der Spektren: (Stern + Planet) – Stern = Planet (Illustration NASA)

Sekundäre Eklipse

Die andere Technik, die der sekundären Eklipse, besteht darin, das Spektrum des Sterns und des Planeten von demjenigen des Sterns allein abzuziehen, wenn der Planet hinter dem Stern hindurch zieht. Eine Technik, die von der Wellenlänge abhängt. Ein heisses Objekt, das einen kalten Stern umkreist, ist leichter zu analysieren. Auch hier muss man aus dem All mit Instrumenten wie dem Hubble-Teleskop oder dem US-amerikanischen SPITZER-Satelliten beobachten, eine Technik, die für kleine Planeten von der Grösse der Erde vorerst unbrauchbar bleibt. Mit Instrumenten vom Boden aus mit hoher spektraler Auflösung (HARPS) ist es jedoch möglich, aus der Analyse der Form der Spektrallinien wie beispielsweise derjenigen von Natrium, die Rotation und Windgeschwindigkeiten bei heissen Jupitern abzuleiten.

«Während wir uns bei der Untersuchung von Exoplaneten sehr auf ESPRESSO und CHEOPS stützen», sagt Christophe Lovis, «vernachlässigen wir trotzdem unser Sonnensystem nicht.» So liefert CaSSIS, die Kamera der Universität Bern installiert auf der europäischen TGO-Sonde, Aufnahmen vom Mars. Und BELA, ein Laser-Altimeter ebenfalls von der Universität Bern, wird an Bord von BepiColombo 2026 beim Merkur ankommen.

Instrumente fürs ELT

Die Astronomen im Forschungsbereich Domain 3 von PlanetS blicken noch weiter in die Zukunft, vor allem in Bezug auf das Extremely Large Telescope (ELT) in Chile und einen künftigen Spektrographen namens HIRES, der speziell für das Riesenteleskop mit seinem Spiegeldurchmesser von 40 Meter entwickelt wird. Das Projekt steht unter der Leitung von Italien mit der Universität Genf als Hauptpartner, die Universität Bern beteiligt sich ebenfalls. «Phase A der Entwicklung des Instruments ist abgeschlossen. Wir haben das Konzept für die thermischen Kontrolle und das optische Design entwickelt und die Berner haben an der Kalibriereinheit gearbeitet», erklärt Christophe Lovis. Für Phase B, den vorläufigen Entwurf (preliminary design), mussten die Astronomen das Projekt Anfang Februar der FLARE-Kommission des Nationalfonds vorstellen. FLARE steht für «Funding LArge international REsearch Projects».

Dies ist eine Art Wettbewerb für die Instrumentenentwicklung in den Bereichen Teilchenphysik und Astrophysik. «Die Astronomen starten nicht als Favoriten in dieser Art von Wettbewerb. Es ist schwierig, mit Instituten wie dem CERN zu konkurrieren», sagt Christophe Lovis: «Aber mit der ESO und dem ELT haben wir jetzt sicherlich mehr Gewicht.» Das ELT ist für 2025 und HIRES für 2028 geplant. Es gibt aber noch ein weiteres Instrument namens METIS, das der PlanetS-Forscher Sascha Quanz ebenfalls dem FLARE-Komitee vorstellte. METIS ist ein Infrarot-Spektrograph für die direkte Bildgebung, der unter Beteiligung der ETH Zürich entwickelt wurde.  «Fantastisch wäre, wenn beide Projekte akzeptiert würden», sagt Christophe Lovis: «Dann könnten wir davon träumen, beide Instrumente zusammenzubringen, um Spektrum und Bild zu erhalten.» Aber das ist Zukunftsmusik. (PB)

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