Exotopografie: Transits sollen Gebirge auf fernen Planeten sichtbar machen


Künstlerische Darstellung der Oberfläche eines fernen Exoplaneten (Illu.).

Copyright: IAU/L. Calçada (CC BY-SA 4.0)

New York (USA) – Landschaftsmerkmale wie Gebirgszüge, Vulkane, Gräben und Krater sind auf allen felsigen Himmelskörpern wie Asteroiden, Moden und Planeten im Sonnensystem zu finden. Gleiches dürfte auch für felsige Planeten um ferne Sterne gelten. Von der nächsten Generation erdgestützer Großteleskope erwarten zwei US-Astronomen auch die Fähigkeit, Gebirge auf Exoplaneten ausweisen zu können. Wie, das haben die Wissenschaftler jetzt in einem Fachartikel zum Thema “Exotopografie” dargelegt.

Gemeinsam mit Prof. David M. Kipping hat die Doktorandin Moiya A.S. McTier von der Columbia University eine ebenso neue wie vergleichsweise einfache Methode entwickelt, wie sich besagte topografische Merkmale auf Exoplaneten anhand der Lichtkurven seines Zentralgestirns quantifizieren lassen, wenn der Planet in einem sogenannten Transit vor der “Sonnenscheibe” seines Stern vorbeizieht und dabei dessen Licht in einzigartiger Weise minimal abschwächt.

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Wie die beiden Astronomen in einer kommenden Ausgabe des Fachjournals “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (MNRAS) berichten werden, haben sie die bekannten topografischen Daten verschiedener Himmelskörper im Sonnensystem dazu verwendet, um eine Art zu erwartendes Geländeprofil dieser Planeten und Monde zu erstellen, und auf dieser Grundlage jene photometrische Streuung, wie sie von diesen Strukturen während eines Transits der Planeten zu erwarten wäre, zu simulieren.


Das grafische Modell zeigt, wie sich der Himalaya-Block auf den Boden der Lichtkurve während des Erdtransits auswirken würde, wenn er – durch die Rotation des Planeten – über dem Silhouettenhorizont erscheinen (Mitte) und wieder dahinter verschwinden würde. Zu Darstellungszwecken wurde in der Grafik der Planetenradius auf 1% seiner tatsächlichen Größe reduziert, während der Himalaya-Block unverändert belassen wurde, da dieser sonst nicht sichtbar wäre. Die dargestellte Verlaufskurve der Transittiefe wurde hingegen mit dem echten Planetenradius ermittelt.

Copyright/Quelle: McTier u. Kipping (2018), MNRAS

Während es auch mit Hilfe der nächsten Generation von Großteleskopen wohl nicht möglich sein wird, die Topografie eines Exoplaneten wie unserer Erde abzubilden, der einen sonnenähnlichen (M-)Stern umkreist, so erläutern McTier und Kipping in ihrem Fachartikel jedoch, wie dies anhand eines hypothetischen erdartigen (nicht an seinen Stern rotationsgebunden) Felsplaneten vergleichbar mit dem Mars möglich sein könnte, der einen nahen weißen Zwergstern umkreist.

Grafische Darstellung eines vereinfachten Oberflächenverlaufs (Gebirge, Land, Ozean) mit Referenz zu einem Geoid und Ellipsoid (Illu.) nach Frazcek.
Copyright/Quelle: McTier u. Kipping (2018), MNRAS

Anhand der Berechnungen kommt das Forscherduo zu dem Schluss, dass beispielsweise mit dem geplanten “Colossus”-Teleskop (…GreWi berichtete) oder dem ursprünglich als “OWL-Telescope” geplanten und seit 2013 im Bau befindlichen “Extremely Large Telescope” (ELT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) entsprechende Exotopografien schon nach mindestens 20 Beobachtungsstunden ablesbar wären.

Während schon der Nachweis eines Gebirges auf einem Exoplaneten ein faszinierender Forschungserfolg wäre, so würde dieser Umstand selbst auch weitere Informationen über den Planeten liefern: “Ein Gebirgszug wie der irdische Himalaya entsteht durch die Bewegung und Kollision von tektonischen Platten”, erläutern die Autoren in ihrem Artikel und führen weiter aus: “Vulkane wie der Olympus Mons auf dem Mars entstehen durch die ununterbrochene Ansammlung von Lava durch innere Erhitzungsprozesse. Aus diesem Grund würde eine starke Unebenheit in der Lichtkurve nicht nur eine entsprechende Oberflächentopografie verraten, sondern auch Rückschlüsse auf die inneren Prozesse dieses Planeten zulassen. (…) Die größte Unebenheit ergäbe sich aus einer Kombination von geringer Oberflächengravitation, Vulkanismus und der Abwesenheit tektonischer Plattenbewegungen. Ein Planet mit nur schwachen Unebenheiten dürfte hingegen deutlich weniger innere Prozesse aufweisen, weshalb vorhandene größere Oberflächenmerkmale vermutlich eher durch äußere Faktoren, wie etwa Asteroideneinschläge, erzeugt wurden.”


Grafische Darstellung der überzeichneten Erdsilhouette während einer Rotation. Auch hier wurde der Planetenradius zu Darstellungszwecken auf 1% reduziert, um die Oberflächenmerkmale überhaupt sichtbar abzubilden. Der untere Graph zeigt die tatsächliche Lichtkurve während eines Transits der Erde vor einem sonnenähnlichen Stern ohne Hintergrundrauschen: Die blaue Linie entspricht der Lichtkurve der Erde mit Ozeanen. Die braune Linie zeigt die Lichtkurve der Erde, wie sie ohne Ozeane aussehen würde.

Copyright/Quelle: McTier u. Kipping (2018), MNRAS

Ein Restproblem geben die Autoren abschließend zukünftigen Arbeiten zum Thema mit auf den Weg: “Vorhandene Ozeane können natürlich topografische Merkmale eines Exoplaneten verdecken, wodurch dessen Lichtkurve weniger uneben erscheint. Weitere Untersuchungen werden nötig sein, um anhand der Transit-Lichtkurve zwischen einer wirklich flachen Planetenoberfläche und einem von Ozeanen bedeckten Planeten unterschieden zu können.”

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