Exoplaneten von zu Hause aus entdecken: Eine Einführung in echte TESS-Daten der NASA
Die meisten der mehr als 6.000 bekannten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems hat nie jemand direkt gesehen. Man hat sie gefunden, weil ein Stern immer wieder ein klein wenig dunkler wurde, sobald ein Planet vor ihm vorbeizog. Das ist die Transitmethode, und die Daten, die sie nutzt, sind öffentlich. Mit einem Browser und etwas Geduld kannst du in denselben Messungen nach Planeten suchen, mit denen auch Profi-Astronomen arbeiten.
Diese Anleitung erklärt Schritt für Schritt, wie eine Transitsuche funktioniert – mit den echten Sternen aus unserem Planetenjäger.
Woher die Daten kommen: NASAs TESS
Der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA, gestartet im April 2018, beobachtet jeweils etwa 27 Tage lang einen Himmelsstreifen von 24° mal 96° (einen „Sektor“) und dreht sich dann zum nächsten. Für Hunderttausende ausgewählte Sterne zeichnet er alle zwei Minuten einen Helligkeitswert auf. Für jeden Stern ergibt das eine Lichtkurve: die Helligkeit, aufgetragen gegen die Zeit.
Alle diese Daten werden über das MAST-Archiv der NASA veröffentlicht. TESS hat Tausende mögliche Planeten markiert, die sogenannten TESS Objects of Interest (TOIs), und Hunderte davon sind inzwischen bestätigt. In den Daten stecken noch viele weitere Signale, die darauf warten, dass jemand hinschaut.
Wie tief ist der Helligkeitseinbruch eines Planeten?
Zieht ein Planet vor seinem Stern vorbei, verdeckt er einen Teil der Sternscheibe, der dem Verhältnis ihrer Flächen entspricht: (Planetenradius / Sternradius)². So bekommst du ein Gefühl dafür, wonach du suchst:
- Ein Jupiter vor einem sonnenähnlichen Stern: etwa 1 % dunkler.
- Eine Erde vor einem sonnenähnlichen Stern: etwa 0,008 % (84 Millionstel).
- Ein kleiner Planet vor einem kleinen Roten Zwerg: viel tiefer, weil der Stern klein ist. Deshalb umkreisen viele kleine TESS-Planeten Rote Zwerge.
Die Planeten im Planetenjäger decken diese ganze Spanne ab: von WASP-18 b, einem Riesen, dessen Einbruch etwa 1 % tief ist und alle 22,6 Stunden wiederkehrt, bis hinunter zu Pi Mensae c, dem ersten von TESS verkündeten Planeten, dessen Transit seinen hellen Stern um weniger als 0,03 % abdunkelt.
Schritt 1: einen wiederkehrenden Einbruch finden
Echte Lichtkurven sind verrauscht. Sterne flackern, die Raumsonde wackelt, und jede Messung streut ein wenig. Ein einzelner Einbruch beweist gar nichts. Was du suchst, ist ein Einbruch, der sich wiederholt, jedes Mal mit derselben Tiefe und derselben Dauer.
Im Planetenjäger markierst du jeden Einbruch, den du siehst. Sobald du zwei oder drei hast, sollten die Abstände zwischen ihnen ganzzahlige Vielfache einer einzigen Zahl sein: Das ist die Umlaufzeit des Planeten. LHS 3844 b, ein Gesteinsplanet um einen Roten Zwerg, braucht für einen Umlauf nur 11 Stunden, sodass ein einziger 27-tägiger Sektor Dutzende seiner Transits zeigt.
Schritt 2: die Lichtkurve falten
Kennst du die Periode, kannst du die Lichtkurve in Stücke von je einer Periode Länge schneiden und diese übereinanderlegen. Das nennt man Phasenfaltung. Stimmt die Periode, liegen alle Transits übereinander, und ein schwacher Einbruch, der im Rauschen begraben war, tritt plötzlich deutlich hervor. Stimmt sie nicht, verschmieren die Einbrüche. Durch Falten finden Astronomen Planeten, deren Signal viel zu flach ist, um es in den Rohdaten mit bloßem Auge zu sehen.
Schritt 3: den Planeten aus dem Einbruch ablesen
Der gefaltete Transit verrät eine Menge:
- Die Tiefe gibt die Größe des Planeten im Verhältnis zum Stern an. Kennst du den Sternradius, erhältst du den Planetenradius.
- Die Dauer hängt von der Größe der Umlaufbahn und der Größe des Sterns ab: Ein Planet weit weg von seinem Stern bewegt sich langsam und braucht länger für den Durchgang.
- Die Form zählt: Ein Planet erzeugt einen Einbruch mit flachem Boden und schrägen Flanken, weil er eine Zeit lang vollständig vor dem Stern steht.
Schritt 4: sicherstellen, dass es nicht zwei Sterne sind
Der häufigste Hochstapler ist ein Bedeckungsveränderlicher: zwei Sterne, die einander umkreisen und abwechselnd das Licht des anderen verdecken. Warnzeichen:
- Die Einbrüche sind V-förmig statt flach am Boden.
- Aufeinanderfolgende Einbrüche sind unterschiedlich tief (gerade und ungerade passen nicht zusammen), weil die beiden Sterne verschieden sind.
- Genau zwischen den Haupteinbrüchen gibt es einen kleineren zweiten Einbruch, wenn der hellere Stern den schwächeren verdeckt.
- Der Einbruch ist für jeden Planeten zu tief: Ein Planet kann von einem sonnenähnlichen Stern höchstens ein paar Prozent verdecken.
Bedeckungsveränderliche sind aber nicht immer eine schlechte Nachricht. 2020 überprüfte Wolf Cukier, ein 17-jähriger Praktikant bei der NASA, Daten von Planet Hunters TESS auf genau so ein Sternpaar, TOI-1338, als ihm ein zusätzlicher Einbruch auffiel, der nicht ins Bild passte. Es stellte sich heraus, dass es TOI-1338 b war, ein Planet mit etwa dem 6,9-Fachen des Erddurchmessers, der beide Sterne umkreist. Dasselbe System kannst du im Planetenjäger untersuchen.
Schritt 5: Ist er schon bekannt?
Bevor du jubelst, prüfe, ob der Stern schon ein TOI oder einen bestätigten Planeten hat. Der Planetenjäger übernimmt das für dich, indem er deine Periode mit den Katalogen der NASA vergleicht. Passt sie zu nichts Bekanntem, hast du womöglich einen echten neuen Kandidaten entdeckt. Freiwillige im Projekt Planet Hunters TESS (auf Zooniverse) haben viele solcher Kandidaten gefunden, und einige wurden als Planeten bestätigt.
Probier eine echte Suche
Die zehn Übungssterne im Planetenjäger sind bekannte Systeme, du kannst deine Antworten also überprüfen. Wenn du so weit bist, lädt der Modus Echte Suche Lichtkurven aus dem neuesten TESS-Sektor direkt aus dem Archiv der NASA. Die meisten Signale darin hat sich noch niemand angesehen.
Öffne den Planetenjäger, fang mit WASP-18 b an und schau, wie kleine Einbrüche du finden kannst.
Häufige Fragen
Können Amateure wirklich Exoplaneten entdecken? Ja. Die Daten von TESS und Kepler sind öffentlich, und Freiwillige in Projekten wie Planet Hunters TESS haben Planetenkandidaten gefunden, die Profi-Astronomen später bestätigt haben, darunter den zirkumbinären Planeten TOI-1338 b.
Was ist eine Lichtkurve? Ein Diagramm der Helligkeit eines Sterns über die Zeit. Ein Planet, der vor dem Stern vorbeizieht, zeigt sich als kleiner, wiederkehrender Einbruch.
Wie kleine Planeten kann TESS finden? TESS hat Planeten gefunden, die kleiner als die Erde sind, vor allem um kleine, nahe Rote Zwerge, bei denen ein erdgroßer Planet einen größeren Teil des Sternlichts verdeckt.
Warum haben die meisten Transitplaneten so kurze Umlaufzeiten? Weil ein Planet in den wenigen Wochen, in denen TESS ein Himmelsfeld beobachtet, mindestens zweimal, besser öfter, vor seinem Stern vorbeiziehen muss. Sternnahe Planeten haben häufig Transits; ein Planet mit einem Jahr Umlaufzeit würde meist höchstens einen Einbruch zeigen.
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Quellen
- Ricker et al. (2015), Transiting Exoplanet Survey Satellite, JATIS 1, 014003. doi:10.1117/1.JATIS.1.1.014003
- Kostov et al. (2020), TOI-1338: TESS's First Transiting Circumbinary Planet, AJ 159, 253. doi:10.3847/1538-3881/ab8a48
- NASA, NASA's TESS Mission Uncovers its 1st World with Two Stars (2020): Wolf Cukier's discovery. nasa.gov
- Huang et al. (2018), TESS Discovery of a Transiting Super-Earth in the Pi Mensae System, ApJL 868, L39. doi:10.3847/2041-8213/aaef91
- Vanderspek et al. (2019), TESS Discovery of an Ultra-short-period Planet around the Nearby M Dwarf LHS 3844, ApJL 871, L24. doi:10.3847/2041-8213/aafb7a
- NASA Exoplanet Archive and MAST (Mikulski Archive for Space Telescopes). exoplanetarchive.ipac.caltech.edu · archive.stsci.edu
Transittiefen sind (Planetenradius / Sternradius)², mit Erde 6.371 km, Jupiter 69.911 km und Sonne 695.700 km. Perioden und Tiefen der Planetenjäger-Sterne sind die in ihren TESS-Lichtkurven gemessenen Werte.