Der Durchmesser eines terrestrischen Exoplaneten auf 1 Prozent genau gemessen

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Mit Daten der Weltraum-Teleskope Kepler und Spitzer der NASA ist Wissenschaftlern die bis jetzt genaueste Messung der Größe einer Welt außerhalb unseres Sonnensystems gelungen, wie die künstlerische Darstellung andeutet. Der Durchmesser des Exoplaneten, Kepler-93b, ist jetzt mit einer Ungenauigkeit von gerade einem Prozent bekannt. NASA / JPL-Caltech

 

Es gibt nunmehr 1750 bestätigte Exoplaneten und mehrere tausend Kandidaten, die auf weitere Messungen warten. Die meisten von ihnen sind mit dem Satelliten Kepler entdeckt worden, der Planetentransits sucht: das geringfügige Abschwächen von Sternenlicht, wenn von der Erde aus gesehen ein Exoplanet vor dem Stern vorüberzieht. Die Bahnperiode für den Exoplaneten wird aus vielen Transits, seine Masse aus der Masse des Sterns und des stellaren Wackelns bestimmt. Die Dauer und Einzelheiten der Lichtabschwächung durch den Transit liefert eine Messung der Größe des Planeten und im Verbund mit der Masse ergibt sich eine durchschnittliche Dichte – und damit ein Hinweis auf die Zusammensetzung des Planeten (eine niedrige Dichte um 1 g/cm3 deutet auf eine wässrige Zusammensetzung, eine hohe Dichte wie die der Erde von 5.5 g/cm3 auf einen felsigen Planeten hin). Allerdings ist die genaue Messung der Dichte des Planeten eine schwierige Aufgabe, besonders für kleinere, erdgroße Planeten und bisher sind von nur achtundfünfzig Exoplaneten die Massen mit großer Zuverlässigkeit bekannt.

Die CfA-Astronomen David Charbonneau, Francois Fressin, Li Zeng und Kollegen arbeiteten mit Experten für das Spitzer-Weltraum-Teleskop zusammen, um die Messung des Durchmessers bei dem als Kepler-93b bekannten erdgroßen Exoplaneten um den Faktor zwei zu verbessern. Sie nutzten dafür sowohl Spitzers Stabilität bei seiner Ausrichtung, um den Stern stets genau auf eine kleine Region von einem Kamerapixel auszurichten, als auch die genaue Infrarot-Eichung der Kamera, um außergewöhnlich kleine Intensitätsschwankungen zu messen. Die Forscher bestimmten aus sieben Transits und weiteren ergänzenden Daten, daß Kepler-93b eine Umlaufzeit von 4.72673978 ±0.00000097 Tagen und einen Radius von 1.481 ±0.019 Erdradien (mit einer Unsicherheit von etwas mehr als 1%; dies entspricht kaum 120 km) besitzt. Er weist 3.8 ±1.5 Erdmassen auf und damit eine Dichte von 6.3 ±2.6g/cm3: er sollte felsig und der durchschnittlichen Dichte der Erde sehr ähnlich sein.

Die Gruppe verglich Kepler-93b mit den sieben anderen Exoplaneten, deren Radien kleiner als 1.5 Erdradien und deren Massen gut bekannt sind und sie stellten fest, daß alle felsig sind; etwa die Hälfte von ihnen sind untereinander in der Zusammensetzung nicht zu unterscheiden. Aus Modellen für Exoplaneten folgern sie zudem, daß die Oberflächentemperatur von Kepler-93b in etwa 760 Grad Celsius beträgt (man erinnere sich, daß seine jährliche Umlaufbahn nur etwa 5 Tage in Anspruch nimmt) und das die Wahrscheinlichkeit, daß er eine Atmosphäre besitzt, bei nur rund 3% liegt. Die Resultate erweitern nicht nur unser Wissen über erdgroße Exoplaneten, sie zeigen auch das bemerkenswerte Potential neuer Technologien (in diesem Fall von Spitzer), das uns bei der Fähigkeit hilft, die Familie der Exoplaneten zu beschreiben.

Literatur:
„Kepler-93b: A Terrestrial World Measured to Within 120 km, and a Test Case for a New Spitzer Observing Mode“
Sarah Ballard, William J. Chaplin, David Charbonneau, Jean-Michel Desert, Francois Fressin, Li Zeng, Michael W. Werner, Guy R. Davies, Victor Silva Aguirre, Sarbani Basu, Jørgen Christensen-Dalsgaard, Travis S. Metcalfe, Dennis Stello, Timothy R. Bedding, Tiago L. Campante, Rasmus Handberg, Christoffer Karoff, Yvonne Elsworth, Ronald L. Gilliland, Saskia Hekker, Daniel Huber, Steven D. Kawaler, Hans Kjeldsen, Mikkel N. Lund, and Mia Lundkvist
The Astrophysical Journal, 790:12 (16pp), 2014 July 20