Forschenden der Universität Bern gelang es, in einem internationalen Team innert kürzester Zeit die Umlaufperiode des äussersten Planeten von TRAPPIST-1 zu bestimmen – jenem Stern, der weltweit für Schlagzeilen gesorgt hat. Die Forschergruppe hat damit eine Art globalen Forschungswettlauf gewonnen. Das neue Resultat bestätigt, dass die sieben erdähnlichen Planeten beim kühlen Zwergstern wie in einer Kette aufgereiht sind und untereinander interagieren.

Umlaufbahnen der sieben Planeten beim Stern TRAPPIST-1. In der grauen Zone könnte es flüssiges Wasser auf den Planetenoberflächen geben. Bei TRAPPIST-1h könnte flüssiges Wasser unter einer dicken Eisschicht existieren. (1 AU oder 1 Astronomische Einheit entspricht der Distanz zwischen Sonne und Erde.) Graphik: A. Triaud

Frühere Beobachtungen von der Erde und dem Weltall aus hatten gezeigt, dass der kühle Zwergstern TRAPPIST-1 von sieben erdähnlichen Planeten umkreist wird – eine grössere Anzahl als in allen anderen vergleichbaren bisher bekannten Planetensystemen. Während Astrophysikerinnen und Astrophysiker die Umlaufzeiten der inneren sechs Planeten bestimmen konnten, blieb diejenige des äussersten Planeten unbekannt. Nun hatte die NASA mit ihrem Kepler-Weltraumteleskop den Stern TRAPPIST-1 von Mitte Dezember bis Anfang März angepeilt. Mit ihrer Ankündigung, diese Daten zwei Monate eher als geplant öffentlich zugänglich zu machen, startete die NASA ein internationales Rennen unter Weltraumforschenden – weltweit wollten diese die ersten sein, welche die Umlaufbahn des letzten Planeten von TRAPPIST-1 bestimmen. Dies ist nun Berner Forschenden des Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern mit einem internationalen Team gelungen.

Nur vier Tage nach dem Ende der Kepler-Beobachtungskampagne veröffentlichte die NASA die Daten. Die Forschenden in Bern hatten sich bereits mit Kollegen der Universität Washington und anderen Forschenden in den USA, Belgien, Frankreich, Grossbritannien, Saudi-Arabien und Marokko zu einem Team zusammengeschlossen, um unmittelbar mit der Arbeit beginnen zu können. Simon Grimm, Postdoc am CSH, hatte ein Verfahren vorbereitet, mit dem er die Daten automatisch herunterladen und verarbeiten konnte, sobald sie verfügbar waren, während Marko Sestovic, Doktorand am CSH, eine Pipeline für die Datenanalyse bereitstellte. Mit einem unabhängig davon entwickelten Computercode machte sich Rodrigo Luger, Doktorand in Seattle, an die gleiche Arbeit.

Das Rauschen eliminieren

«Wir haben diese wissenschaftliche Herausforderung angenommen und wussten, dass wir schnell sein mussten», sagt Marko Sestovic. «Wenn man nicht der erste ist, wird man nicht wahrgenommen,» ergänzt CSH-Postdoc Simon Grimm. Sie hatten dabei eine besondere Knacknuss zu lösen: Normalerweise kalibriert die NASA die Daten des Kepler-Weltraumteleskops vor der Veröffentlichung in einer aufwändigen Prozedur, doch diesmal erhielten die Forschenden nur die Rohdaten. «Der Kepler-Satellit schwankt wegen eines technischen Problems von einer zur anderen Seite», erklärt Sestovic: «Dies verursacht starke Störsignale des Instruments und viel ‹Rauschen›, das entfernt werden muss. Die Störungen können fünfmal grösser sein als das eigentliche Signal.» Mit ihren Computercodes, die sich auf maschinelles Lernen stützen, konnten die Forscher in Bern und Seattle die Kepler-Daten innert Rekordzeit kalibrieren, da sie Tag und Nacht arbeiteten. «Jede Stunde zählt, wenn man nicht überholt werden will», sagt CSH-Professor Brice-Olivier Demory.

Um die Umlaufzeit des äussersten Planeten, genannt TRAPPIST-1h, zu bestimmen, setzten die Forschenden auf die Theorie. Sie hatten bereits entdeckt, dass die Perioden der inneren Planeten aufgrund der Wechselwirkungen der Schwerkraft eine Verbindung aufweisen: Wenn beispielsweise Planet b den Stern achtmal umkreist, so macht Planet c fünf Umläufe und Planet d drei – ein so genanntes Resonanz-Phänomen. Ist Planet h ebenfalls in Resonanz mit seinen nächstgelegenen Planeten f und g, dann muss seine Umlaufzeit einen von mehreren, bestimmten Werten aufweisen, so die theoretische Überlegung.

Wie sich ein Zeichner den Planeten TRAPPIST-1h vorstellt. (Illustration: NASA/JPL- Caltech)

Aufgrund der Analyse der früheren Daten konnten Brice-Olivier Demory sowie zwei seiner Kollegen in Seattle und Chicago alle möglichen Perioden ausschliessen, bis nur eine übrig blieb: 18,764 Erdtage. Tatsächlich ergab sich genau dieses Resultat aus den Kepler-Daten. Umkreist also Planet h den Stern TRAPPIST-1 zweimal, so vollführt sein innerer Nachbar g drei Umläufe und Planet f deren vier.

Dank Theorie erfolgreich

«Die Tatsache, dass die Umlaufzeit von TRAPPIST-1h von der Theorie vorausgesagt wurde, bevor man sie in den Daten nachwies, erinnert daran, wie Neptun in unserem Sonnensystem vor mehr als 100 Jahren aufgespürt wurde», sagt CSH-Direktor Kevin Heng. Weil der Planet Uranus von seiner Bahn abwich, schlossen Astronomen, dass es weiter aussen einen zusätzlichen Planeten geben musste, dessen Schwerkraft sich auf ihn auswirkte. Aufgrund der Bahnstörungen von Uranus berechneten sie die Position des bis dahin unbekannten Planeten – von Neptun. Zusätzlich zur Umlaufzeit von TRAPPIST-1h fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Temperatur des Planeten 173 Kelvin oder minus 100 Grad Celsius beträgt und sein Radius etwas kleiner ist als derjenige der Erde. Sie konnten zudem messen, dass sich der Zwergstern selbst in 3,3 Tagen einmal um seine Achse dreht, und schliessen aufgrund der beobachteten Sternflecken und Eruptionen auf eine relativ niedrige Aktivität von TRAPPIST-1, was bedeutet, dass dieser älter ist als bisher angenommen.

Sobald die NASA die Daten freigegeben hatte, arbeiteten die Forschenden während 60 Stunden fast ununterbrochen an deren Analyse und am Aufschreiben der Resultate. Das so in Rekordzeit eingereichte, 37-seitige Paper wird nun vom Wissenschaftsmagazin Nature Astronomy veröffentlicht. «Unsere Kollaboration von 30 Leuten tauschte in wenigen Tagen mehr als 450 Emails aus», fasst Brice-Oliver Demory zusammen: «Zu einem bestimmten Zeitpunkt überarbeiteten 15 Forschende gleichzeitig das Online-Manuskript – insgesamt eine schöne Erfahrung!»

Publikationsangaben:
Rodrigo Luger, Marko Sestovic, Ethan Kruse, Simon L. Grimm, Brice-Olivier Demory, Eric Agol, Emeline Bolmont, Daniel Fabrycky, Catarina S. Fernandes, Valérie Van Grootel, Adam Burgasser, Michaël Gillon, James G. Ingalls, Emmanuël Jehin, Sean N. Raymond, Franck Selsis, Amaury H. M. J. Triaud, Thomas Barclay, Geert Barentsen, Steve B. Howell, Laetitia Delrez, Julien de Wit, Daniel Foreman-Mackey, Daniel L. Holdsworth, Jérémy Leconte, Susan Lederer, Martin Turbet, Yaseen Almleaky, Zouhair Benkhaldoun, Pierre Magain, Brett Morris, Kevin Heng and Didier Queloz: A seven-planet resonant chain in TRAPPIST-1, Nature Astronomy, 2017, 1, doi: 10.1038/s41550-017-0129 | https://www.nature.com/natastron/

Kontakt:
Marko Sestovic, PhD student
CSH, Universität Bern
marko.sestovic@csh.unibe.ch

Prof. Dr. Brice-Olivier Demory
Center for Space and Habitability (CSH), Universität Bern
brice.demory@csh.unibe.ch