Ein europäisches Team von Astronomen [1] hat den leichtesten bekannten Planeten entdeckt, der einen anderen Stern als die Sonne umkreist (einen „Exoplaneten“).
Der neue Exoplanet umkreist den hellen Stern mu Arae im südlichen Altarbild. Es ist der zweite Planet, der um diesen Stern herum entdeckt wurde und eine vollständige Revolution in 9,5 Tagen vollendet.
Mit einer Masse von nur dem 14-fachen der Masse der Erde liegt der neue Planet an der Schwelle der größtmöglichen felsigen Planeten, was ihn zu einem möglichen supererdähnlichen Objekt macht. Uranus, der kleinste der Riesenplaneten des Sonnensystems, hat eine ähnliche Masse. Uranus und der neue Exoplanet unterscheiden sich jedoch so sehr durch ihre Entfernung vom Wirtsstern, dass ihre Bildung und Struktur wahrscheinlich sehr unterschiedlich sind.
Diese Entdeckung wurde durch die beispiellose Genauigkeit des HARPS-Spektrographen am 3,6-m-Teleskop von ESO in La Silla ermöglicht, mit dem Radialgeschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von mehr als 1 m / s gemessen werden können. Dies ist eine weitere klare Demonstration der europäischen Führungsrolle auf dem Gebiet der Exoplanetenforschung.
Eine einzigartige Planetenjagdmaschine
Seit der ersten Entdeckung eines Planeten um den Stern 51 Peg durch Michel Mayor und Didier Queloz vom Genfer Observatorium (Schweiz) im Jahr 1995 haben Astronomen erfahren, dass unser Sonnensystem nicht einzigartig ist, da mehr als 120 Riesenplaneten entdeckt wurden, die andere Sterne umkreisen meist durch Radialgeschwindigkeitsmessungen (vgl. ESO PR 13/00, ESO PR 07/01 und ESO PR 03/03).
Diese grundlegende Beobachtungsmethode basiert auf der Erfassung von Geschwindigkeitsschwankungen des Zentralsterns aufgrund der sich ändernden Richtung der Gravitationskraft eines (unsichtbaren) Exoplaneten, der den Stern umkreist. Die Auswertung der gemessenen Geschwindigkeitsschwankungen ermöglicht es, die Umlaufbahn des Planeten, insbesondere die Periode und die Entfernung vom Stern, sowie eine Mindestmasse abzuleiten [2].
Die fortgesetzte Suche nach Exoplaneten erfordert eine immer bessere Instrumentierung. In diesem Zusammenhang übernahm die ESO zweifellos die Führung mit dem neuen HARPS-Spektrographen (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher) des 3,6-m-Teleskops am ESO La Silla Observatory (siehe ESO PR 06/03). Dieses einzigartige Instrument wurde im Oktober 2003 der Forschungsgemeinschaft in den ESO-Mitgliedsländern angeboten und ist optimiert, um Planeten in der Umlaufbahn um andere Sterne („Exoplaneten“) mithilfe genauer (radialer) Geschwindigkeitsmessungen mit einer beispiellosen Genauigkeit von 1 Meter pro Sekunde zu erfassen .
HARPS wurde von einem europäischen Konsortium [3] in Zusammenarbeit mit der ESO gebaut. Bereits seit Beginn des Betriebs hat es seine sehr hohe Effizienz unter Beweis gestellt. Im Vergleich zu CORALIE, einem anderen bekannten, für die Planetenjagd optimierten Spektrographen, der am 1,2-m-Teleskop Swiss-Euler in La Silla installiert ist (vgl. ESO PR 18/98, 12/99, 13/00), wurden die typischen Beobachtungszeiten verkürzt um den Faktor hundert und die Genauigkeit der Messungen wurde um den Faktor zehn erhöht.
Diese Verbesserungen haben neue Perspektiven bei der Suche nach extra-solaren Planeten eröffnet und neue Maßstäbe in Bezug auf die instrumentelle Präzision gesetzt.
Das Planetensystem um Mu Arae
Der Stern Mu Arae ist etwa 50 Lichtjahre entfernt. Dieser solarähnliche Stern befindet sich im südlichen Sternbild Ara (dem Altar) und ist hell genug (5. Größe), um mit bloßem Auge beobachtet zu werden.
Es war bereits bekannt, dass Mu Arae einen Jupiter-großen Planeten mit einer Umlaufzeit von 650 Tagen beherbergt. Frühere Beobachtungen deuteten auch auf die Anwesenheit eines anderen Gefährten (eines Planeten oder eines Sterns) in größerer Entfernung hin.
Die neuen Messungen der Astronomen an diesem Objekt in Kombination mit Daten anderer Teams bestätigen dieses Bild. Aber wie Fran? Ois Bouchy, Mitglied des Teams, erklärt: „Die neuen HARPS-Messungen bestätigten nicht nur, was wir bisher über diesen Stern zu wissen glaubten, sondern sie zeigten auch, dass ein zusätzlicher Planet auf einer kurzen Umlaufbahn vorhanden war. Und dieser neue Planet scheint der kleinste zu sein, der bisher um einen anderen Stern als die Sonne entdeckt wurde. Das macht Mu Arae zu einem sehr aufregenden Planetensystem. “
Während 8 Nächten im Juni 2004 wurde Mu Arae wiederholt beobachtet und seine Radialgeschwindigkeit von HARPS gemessen, um Informationen über das Innere des Sterns zu erhalten. Diese sogenannte Astero-Seismologie-Technik (siehe ESO PR 15/01) untersucht die kleinen Schallwellen, die die Oberfläche des Sterns periodisch ein- und auspulsieren lassen. Durch die Kenntnis der inneren Struktur des Sterns wollten die Astronomen den Ursprung der ungewöhnlichen Menge schwerer Elemente verstehen, die in seiner Sternatmosphäre beobachtet wurden. Diese ungewöhnliche chemische Zusammensetzung könnte einzigartige Informationen zur Geschichte der Planetenbildung liefern.
Nuno Santos, ein weiteres Mitglied des Teams, sagt: „Zu unserer Überraschung ergab die Analyse der neuen Messungen eine Änderung der Radialgeschwindigkeit mit einem Zeitraum von 9,5 Tagen zusätzlich zum akustischen Schwingungssignal!“
Diese Entdeckung wurde durch die große Anzahl von Messungen ermöglicht, die während der Astero-Seimologie-Kampagne erhalten wurden.
Ab diesem Datum wurde der Stern, der ebenfalls Teil des Umfrageprogramms des HARPS-Konsortiums war, regelmäßig mit einer sorgfältigen Beobachtungsstrategie überwacht, um das „seismische Rauschen“ des Sterns zu reduzieren.
Diese neuen Daten bestätigten sowohl die Amplitude als auch die Periodizität der Radialgeschwindigkeitsschwankungen, die während der 8 Nächte im Juni festgestellt wurden. Den Astronomen blieb nur eine überzeugende Erklärung für dieses periodische Signal: Ein zweiter Planet umkreist Mu Arae und vollzieht in 9,5 Tagen eine vollständige Revolution.
Dies war jedoch nicht die einzige Überraschung: Aus der Radialgeschwindigkeitsamplitude, dh der Größe des Wackelns, das durch die Anziehungskraft des Planeten auf den Stern induziert wird, haben die Astronomen eine Masse für den Planeten abgeleitet, die nur das 14-fache der Masse der Erde beträgt ! Hier geht es um die Masse von Uranus, dem kleinsten der Riesenplaneten im Sonnensystem.
Der neu gefundene Exoplanet stellt daher einen neuen Rekord auf dem kleinsten Planeten auf, der um einen Stern vom Solartyp entdeckt wurde.
An der Grenze
Die Masse dieses Planeten platziert ihn an der Grenze zwischen den sehr großen erdähnlichen (felsigen) Planeten und den Riesenplaneten.
Da aktuelle Modelle der Planetenbildung noch weit davon entfernt sind, die erstaunliche Vielfalt der entdeckten extrasolaren Planeten zu erklären, können Astronomen nur über die wahre Natur des vorliegenden Objekts spekulieren. Im gegenwärtigen Paradigma der Bildung riesiger Planeten wird ein Kern zuerst durch die Akkretion fester „Planetesimale“ gebildet. Sobald dieser Kern eine kritische Masse erreicht, sammelt sich Gas „außer Kontrolle“ an und die Masse des Planeten nimmt schnell zu. Im vorliegenden Fall ist es unwahrscheinlich, dass diese spätere Phase stattgefunden hat, da sonst der Planet viel massiver geworden wäre. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass das vorliegende Objekt über große Entfernungen gewandert ist und eine so kleine Masse aufweist, da neuere Modelle gezeigt haben, dass Migration die Bildungszeit verkürzt.
Dieses Objekt ist daher wahrscheinlich ein Planet mit einem felsigen (nicht eisigen) Kern, der von einer kleinen (in der Größenordnung von einem Zehntel der Gesamtmasse) gasförmigen Hülle umgeben ist, und würde sich daher als „Supererde“ qualifizieren.
Weitere Perspektiven
Dem HARPS-Konsortium unter der Leitung von Michel Mayor (Genfer Observatorium, Schweiz) wurden während eines Zeitraums von 5 Jahren 100 Beobachtungsnächte pro Jahr am 3,6-m-ESO-Teleskop gewährt, um eine der ehrgeizigsten systematischen Suchen nach Exoplaneten durchzuführen, die bisher durchgeführt wurden weltweit. Zu diesem Zweck misst das Konsortium wiederholt Geschwindigkeiten von Hunderten von Sternen, die möglicherweise Planetensysteme beherbergen.
Die Entdeckung dieses neuen Lichtplaneten nach weniger als einem Betriebsjahr zeigt das herausragende Potenzial von HARPS zur Erkennung von felsigen Planeten auf kurzen Umlaufbahnen. Weitere Analysen zeigen, dass mit HARPS erzielte Leistungen die Erkennung großer „tellurischer“ Planeten mit nur der wenigen Masse der Erde ermöglichen. Eine solche Fähigkeit ist eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu früheren Planetenuntersuchungen. Die Erkennung solcher felsigen Objekte verstärkt das Interesse zukünftiger Transiterkennungen aus dem Weltraum mit Missionen wie COROT, Eddington und KEPLER, die in der Lage sein sollen, ihren Radius zu messen.
Mehr Informationen
Die in dieser Pressemitteilung beschriebenen Forschungsergebnisse wurden der führenden astrophysikalischen Zeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ zur Veröffentlichung vorgelegt. Ein Preprint ist als Postscript-Datei unter http://www.oal.ul.pt/~nuno/ verfügbar.
Anmerkungen
[1]: Das Team besteht aus Nuno Santos (Centro de Astronomia und Astrofisica da Universidade de Lisboa, Portugal), François Bouchy und Jean-Pierre Sivan (Laboratoire d'astrophysique de Marseille, Frankreich), Michel Mayor, Francesco Pepe , Didier Queloz, St. Phane Udry und Christophe Lovis (Observatoire de l'Universit de Gen? Ve, Schweiz), Sylvie Vauclair, Michael Bazot (Toulouse, Frankreich), Gaspare Lo Curto und Dominique Naef (ESO), Xavier Delfosse (LAOG, Grenoble, Frankreich), Willy Benz und Christoph Mordasini (Physikalisches Institut der Universität Bern, Schweiz) sowie Jean-Louis Bertaux (Dienst der Wirtschaft von Verri? Re-le-Buisson, Paris, Frankreich) .
[2] Eine grundlegende Einschränkung der Radialgeschwindigkeitsmethode ist die unbekannte Neigung der Planetenbahn, die nur die Bestimmung einer unteren Massengrenze für den Planeten ermöglicht. Statistische Überlegungen zeigen jedoch, dass in den meisten Fällen die wahre Masse nicht viel höher als dieser Wert ist. Die Masseneinheiten für die in diesem Text verwendeten Exoplaneten sind 1 Jupitermasse = 22 Uranusmassen = 318 Erdmassen; 1 Uranusmasse = 14,5 Erdmassen.
[3] HARPS wurde von einem internationalen Konsortium von Forschungsinstituten unter der Leitung des Observatoire de Gen? Ve (Schweiz) entworfen und gebaut, darunter das Observatoire de Haute-Provence (Frankreich), das Physikalische Institut der Universität Bern (Schweiz). der Service d'Aeronomie (CNRS, Frankreich) sowie die ESO La Silla und die ESO Garching.
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
