Exoplanetensuche: Methoden & Programme

Dies soll ein Sammelthread für alles was mit der Suche nach Exoplaneten zu tun hat werden. Konkrete Forschungsergebnisse und -fragen gehören in den allgemeinen Exoplanetenthread, direkt abgebildete Planeten in den entsprechenden speziellen Thread. Über einzelne Planetensysteme im Detail diskutieren wir hier.

Grundlegend gibt es eine Reihe von verschiedenen Methoden und Techniken um Planeten um andere Sterne aufzuspüren. Dazu gehören prominent die Transitmethode und die Messung der Radialgeschwindigkeit. Diese und andere Methoden sollen hier im Thread diskutiert werden, einige grundlegende Erklärungen werde ich noch einfügen. Ebenso gehören Neuigkeiten über aktuelle Projekte, die sich der Suche nach Exoplaneten widmen hier rein. So gut wie alle Großteleskope auf der Erde verfügen mittlerweile über eigens zur Suche nach Exoplaneten ausgelegte Instrumente oder haben dies geplant.

Über geplante Instrumente zur direkten Abbildung an den Großteleskopen VLT, Keck, Gemini und Subaru hatte ich bereits hier etwas geschrieben: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=645.msg121856#msg121856

Einen halbwegs aktuellen Überblick über gegenwärtige und geplante Programme zur Suche nach extrasolaren Planeten gibt es hier: http://exoplanet.eu/searches.php

Einen nicht mehr ganz aktuellen Artikel über verschiedene Entdeckungsmethoden gibt es auch auf unserer Portalseite: http://www.raumfahrer.net/astronomie/extrasolar/extrasolare_planeten.shtml (sollte bald überarbeitet werden (wenn ich dazu komme )).

Hallo,

von der Kepler Mission gibt es eine huebsche Animation, die zeigt, warum es so schwierig ist, den Schatten des vorbeiziehenden Exoplaneten vor einem Stern zu detektieren:
http://kepler.nasa.gov/media/mpeg_files/LostInGlareWEB1_H264.mov

Gruss,
Volker

Laut der aktuellen E-ELT-Broschüre der ESO wird das neue Riesenteleskop neben den Möglichkeiten der direkte Abbildung von Exoplaneten die Fähigkeit haben mit einem entsprechenden Spektrometer Radialgeschwindigkeitsvariationen von Sternen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1 cm/s zu vermessen. Das ist etwa um den Faktor 100 besser als bei den präzisesten derzeitigen Systemen.

Zum Vergleich: Die Erde erzeugt bei der Sonne eine Radialgeschwindigkeitsvariation von etwa 10 cm/s. Würde das E-ELT also beispielsweise auf einem Planeten um Epsilon Eridani stehen, könnte es die Erde locker entdecken!

Allerdings müssen wir noch bis mindestens 2018 warten bis uns dieses großartige Teleskop zur Verfügung stehen wird.

Im Laufe des nächsten Jahres, also 2010, soll am William Herschel Telescope auf La Palma ein Spektrograph der nächsten Generation installiert werden. Dieser HARPS-NEF genannte Spekrograph hat das Potenzial mit Hilfe der präzisen Bestimmung von Radialgeschwindigkeiten erdähnliche Planeten in der habitablen Zone um andere Sterne zu entdecken. Die Messgenauigkeit soll bei nur 1 cm/s liegen. HARPS-NEF ist eine Kooperation zwischen dem bisherigen HARPS-Team und der Origins of Life-Initiative der Harvard University und steht für High Accuracy Radial-velocity Planet Search - New Earths Facility.

Das neue Instrument basiert auf einem Astro-comb (also etwa "Sternenkamm") genannten Verfahren, bei dem ein gepulster Laser und eine Atomuhr eingesetzt wird, um einen genauen Referenzrahmen zu liefern gegen den das Sternenlicht abgeglichen werden kann. Mit diesen ultrastabilen Wellenlängenreferenzen lassen sich die kleinen Dopplerverschiebungen im Licht der Sterne bis zu 100 mal genauer feststellen.

Aktuelle News habe ich leider zu dem Projekt nicht gefunden. Ich hoffe, die Finanzierung steht - schließlich wäre solch hochpräzise Spektroskopie auch für andere astronomische Beobachtungen interessant!

HARPS-NEF soll wohl nicht vor 2011 einsatzbereit sein. Die Finanzierung steht aber und mit den Installationsarbeiten wurde bereits begonnen.

Ich muss mal meinen Respekt vor den Methoden der Exoplaneten-Sucher ausdrücken. Die meisten Exoplaneten wurden mit der Radialgeschwindigkeits-Methode gefunden, der Spektrograph HARPS gehört ja auch dazu.

Da muss man nämlich die erreichte Genauigkeit der Radialgeschwindigkeit von ca. 1 m/s in Relation zur Lichtgeschwindigkeit 3 x 10⁸ m/s sehen. Die Messung der Doppler-verschobenen Frequenz muss also mit einer Genauigkeit von 10⁸, besser 10⁹ gemessen werden, das schafft kein Spektrograph. Da sind Auflösungen von 10⁵ schon sehr gut. Die restlichen 3 Größenordnungen müssen also durch statistische Methoden gewonnen werden, was bedeutet, dass eine Menge Spektrallinien ausgewertet werden müssen. HARPS deckt fast das gesamte sichtbare Spektrum ab.

Als nächste Schwierigkeit kommt dazu, dass sich Frequenzverschiebungen auch noch durch die Rotation des Sterns ergeben können. Das muss natürlich auch noch berücksichtigt werden.

Insgesamt also: Hut ab!

Moin,

Neue Methode erschließt Exoplanetenchemie auch kleineren Teleskopen

es gibt jetzt eine neue Methode zur Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten und damit werden solche Arbeiten erstmals auch Beobachtern mit vergleichsweise kleinen Teleskopen möglich gemacht. Bisher wurden für solche Untersuchungen Weltraumteleskope oder die größten und fortschrittlichsten bodengebundenen Teleskope eingesetzt. Jetzt macht eine neue Methode zur Datenauswertung die Exoplaneten-Spektroskopie deutlich kleineren bodengebundenen Teleskopen zugänglich.

Mehr dazu hier >>>

Jerry

Hallo,

und hier die entsprechende Meldung von unserer Portal-Seite : 
http://www.raumfahrer.net/news/astronomie/10022010223242.shtml 

Schöne Grüße aus Hamburg - Mirko

Ist ja ganz simpel: Spektrum mit Planet vom Spektrum ohne Planet abziehen ... dass wir da nicht früher drauf gekommen sind 

Soooo einfach kanns nicht sein, da stecken sicher noch mehr Tricks drin!

Hallo Mirko,

in deinem obigen Artikel bin ich etwas über diesen Satz gestolpert:

Die Wissenschaftler sind optimistisch, dass es dem Weltraumteleskop Kepler gelingen wird, erstmals auch Exoplaneten von der Größe der Erde nachzuweisen. Die jetzt entwickelte Untersuchungsmethode hat die Möglichkeiten für deren zukünftige Erforschung ohne Zweifel erweitert.

Es stimmt zwar, dass mit der neuen Analysemethode die Zusammensetzung der Atmosphären erdähnlicher Planeten theoretisch besser/leichter erforscht werden kann. Gerade die Kandidaten, die Kepler (hoffentlich) entdecken wird, sind aber zu weit entfernt, um hier in näherer Zukunft aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.

Keplers primäres Missionsziel ist es zunächst lediglich die statistische Häufigkeit erdähnlicher Planeten in unserer Galaxie zu bestimmen. Wissen wir mit guter Sicherheit, dass bspw. jeder hundertste Zwergstern mindestens einen erdähnlichen Planeten in der habitablen Zone besitzt, können wir anfangen, gezielt nach solchen Planeten in unserer Umgebung zu suchen und dann wird die neue Analysemethode genau richtig kommen.

Kombiniert mit einem terrestrischen Teleskop der nächsten Generation, wie dem E-ELT, kommt sie sicherlich erst richtig zur Geltung, wobei der Fakt, dass nun auch kleinere Teleskope einen ordentlicher Boost in dieser Hinsicht erhalten haben, besonders erfreulich ist!  

Gruß, Timo

Ist ja ganz simpel: Spektrum mit Planet vom Spektrum ohne Planet abziehen ... dass wir da nicht früher drauf gekommen sind  

Soooo einfach kanns nicht sein, da stecken sicher noch mehr Tricks drin!

Hallo Photon,

das stimmt! Bei der neuen Methode geht es um etwas anderes. Die von dir beschriebene Technik wird seit jeher angewandt.

Der entscheidende Satz im Artikel ist dieser: "Mit einer neu entwickelten Kalibrationsmethode können wir die Lichtveränderungen, die sich durch die Planetenfinsternis ergeben, von den Lichtveränderungen durch atmosphärische Turbulenzen und von Störsignalen des Detektors unterscheiden."

Die Software reduziert also im Effekt das systematische Rauschen der ganzen Anlage und zusätzlich die Störungen durch Veränderungen in der Atmosphäre. Wie genau, ist mir aber ebenfalls noch nicht klar.

Insbesondere frage ich mich, wie sie softwaremäßig mit den atmosphärischen Störungen umgehen. Gibt es eine Kombination mit einer adaptiven Optik oder woher kommen die Daten über atmosphärische Fluktuationen? Oder kann das Programm gar ohne Laser Guide Star atmosphärische Störungen mit Hinsicht auf die Spektroskopie herausrechnen?

Adaptive Optik glaube ich nicht, da man ein altes Teleskop genommen hat. Die sind mit sowas doch normalerweise nicht ausgestattet. Man wird wohl irgendwie anders arbeiten, nur wie? Ich hab keine Ahnung
mfg websquid

Man muß sich das nochmal "auf der Zunge zergehen lassen":
Man spektroskopiert das Licht eines Sterns - den wir nur als winzigen Lichtpunkt wahrnehmen - und subtrahiert davon eine zweite Spektroskopie, die in dem Moment aufgenommen wurde, als ein dort existierender Planet sich gerade hinter dem Stern befand, also nicht sichtbar war.
Die Differenz ist das Licht des Planeten.

Der Unterschied dürfte so marginal sein, daß er gewöhnlich "im Rauschen untergeht" - durch Messfehler verdeckt wird.

Die neue Methode zielt darauf ab, die Messfehler zu minimieren und dadurch zu besseren Resultaten zu kommen.
Software-Rauschfilter sind schon aus der digitalen Bildverarbeitung bekannt. Sie reduzieren das Rauschen, welches in der Kamera (Sensorchip) entsteht.

Aber wie kann man die Abbildungsfehler reduzieren, die durch Störungen in der Erdatmosphäre entstehen (Luftflimmern)?

Bei der adaptiven Optik der neuen Großteleskope wird diese zunächst von einem Laser analysiert und anschließend durch mechanisches Verformen des Spiegels kompensiert.
Das erfordert einen aufwändigen Hardware-Einsatz.

Bei der neuen Methode ist aber von einer Software-Lösung die Rede, die auch bei kleineren Teleskopen einsetzbar ist.

Aber wie kann man ohne Analyse das Luftflimmern berechnen und kompensieren?

Adaptive Optik glaube ich nicht, da man ein altes Teleskop genommen hat.

Ach, das sagt doch heute nicht mehr viel, aber das IRTF hat zumindest noch keine AO, glaube ich.

@eumel: Schön zusammengefasst. Vielleicht findet sich ja noch jemand mit einer Antwort auf unsere Fragen.

Hallo,

leider steht in den Meldungen nichts dazu, wie diese Software genau arbeitet...
http://www.mpia.de/Public/menu_q2.php?Aktuelles/PR/2010/PR100204/PR_100204_de.html  ( dt. )
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2010-038  ( engl. )

@Timo :  Okay, das Kepler-Teleskop wurde nicht speziell erwähnt ( COROT allerdings ebenfalls nicht ), dafür aber zumindestens HST, Spitzer und JWST.
Zitat aus der JPL-Meldung ( zweiter Link ) :  ".... Used in synergy with observations from NASA's Hubble, Spitzer and the future James Webb Space Telescope, the new technique "will give us an absolutely brilliant way to characterize super-Earths," Swain said. ...."

HD 189733 ist knapp 63 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt und erreicht eine Helligkeit von 7,67 mag. Hast Du vielleicht eine Ahnung, wie weit die von Kepler beobachteten Sterne in etwa von der Sonne entfernt sind bzw. welche Helligkeit sie erreichen? Man wird sich dabei doch bestimmt nur auf spezielle Ziele konzentrieren und nicht den gesamten Himmelsbereich relativ "planlos" absuchen. Unter den beobachteten Sternen wird ja im Laufe der Zeit auch ein nicht unwesentlicher Anteil "aussortiert", da diese zu jung, zu schnell rotierend oder einfach zu unbeständig sind...
http://kepler.nasa.gov/Science/numberOfStarsForWhichPlanetsCanBeDetected/ 

Schöne Grüße aus Hamburg - Mirko

Hoffentlich kann ich etwas Licht in die Sache bringen. Ich habe mir den Original-Artikel von nature aus der Uni-Bibliothek besorgt (gibts auch online, aber nur für Leute die viel Geld haben), um dann enttäuscht festzustellen, dass die geheimnisvolle Datenverarbeitungs-Prozedur darin auch nicht beschrieben ist. Aber in den "Supplementary Information" zu diesem Artikel ist die Prozedur beschrieben und die gibt es wieder online für jedermann verfügbar. ... Hinterher ist man immer schlauer, hier der Link: http://www.nature.com/nature/journal/v463/n7281/extref/nature08775-s1.pdf

Ich habs gelesen und Folgendes verstanden:

1. Die Spektren des Exoplaneten sind mit dem SpeX Spectrograph am IRTF aufgenommen, das dazu keineswegs mit adaptiver Optik oder sonstwelchen Hardware-Tricks ausgestattet wurde oder gar Erd-Atmosphärenkorrekturen vornimmt.
2. Die Spektren sind bei verschiedenen Wellenlängen im Infraroten aufgenommen worden und bei allen geht es um das Herauskitzeln der "secondary eclipse depth", also dem Unterschied an Helligkeit zwischen "Planet steht neben dem Stern" und "Planet steht für uns unsichtbar hinter dem Stern".
3. Dieses Herauskitzeln wird rein durch statistische Methoden (Stichwort: Korrelation und Fourier-Transformation, mehr kapier ich davon auch nicht) der hintereinander aufgenommenen Helligkeitswerte des Sterns gemacht, wenn der Exoplanet hinter dem Stern verschwindet, entlang wandert und wieder hervor kommt.
4. Das Gerät an sich liefert normal eine Unsicherheit in der Helligkeitsbestimmung von ca. 4 %.
5. Durch die neue Statistik-Prozedur kann das auf ca. 0,03 % gesteigert werden, also etwa Faktor 100, was sehr beachtlich ist.
6. Die bei verschiedenen Wellenlängen gemessenen secondary eclipse depthes liegen im Bereich von 0,03 % - 1 %.

In den Daten sehen die Autoren eine deutliches Signal in der Planeten-Atmosphäre, das von der Wellenlänge her im Bereich des Moleküls Methan liegt. Sie haben diese Daten mit Daten von Messungen am Titan verglichen, die vom VIMS Gerät auf Cassini gemacht wurden, und gute Übereinstimmung mit dem Methan-Spektrum gefunden, wenn Cassini ca. 1700 km oberhalb der Titan-Oberfläche misst.

Insgesamt eine erstaunliche Arbeit!

Hallo Photon,

danke für deine Recherchearbeit. Die Methode ist letztendlich denjenigen Methoden gar nicht so unähnlich, mit denen man versucht aus den Lichtkurven von Sternen Transitereignisse zu extrahieren. Auch hier haben wir es ja mit einer Reihe von Störeinflüssen (z.B. Variabilität des Sterns selbst) zu tun, die man in den Griff bekommen muss, selbst wenn man ohne Atmosphäre arbeitet. Ähnliches gilt bei der Messung von Radialgeschwindigkeiten auf der Suche nach substellaren Objekten.

Allerdings scheinen sie hier wirklich nur eine einzige sekundäre Eklipse untersucht zu haben, womit die Periodizität, die in den anderen Fällen einen gewissen Anhaltspunkt gibt, wegfällt.

Sehr interessant jedenfalls.

Gruß, Timo

HD 189733 ist knapp 63 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt und erreicht eine Helligkeit von 7,67 mag. Hast Du vielleicht eine Ahnung, wie weit die von Kepler beobachteten Sterne in etwa von der Sonne entfernt sind bzw. welche Helligkeit sie erreichen? Man wird sich dabei doch bestimmt nur auf spezielle Ziele konzentrieren und nicht den gesamten Himmelsbereich relativ "planlos" absuchen.

Hallo Mirko,

die Frage hatte ich ganz vergessen!  

Nein, man sucht nicht total planlos im FOV (Field-of-View) herum. Schon vor der Mission hatte man rund 100.000 Sterne als vielversprechende Kandidaten ausgewählt. Aber wie du sagst, werden mit der Zeit immer mehr aussortiert.

Mit Hinblick auf die Entfernung befinden sich die meisten dieser 100.000 Sterne zwischen 600 und 3.000 Lichtjahren entfernt entlang des Orion-Arms. Nur ein verschwindend geringer Anteil ist näher dran (<1%). Sterne, die weiter als 3.000 Lichtjahre entfernt sind, sind in der Regel zu dunkel, um untersucht zu werden. Kepler zeichnet die Lichtkurven von Sternen bis zu mag 14 auf. Illustration:


Bild: NASA

Sterne, die nicht so weit entfernt sind, sind entweder zu hell oder aus anderen Gründen ungeeignet für eine Beobachtung. Außerdem hat man gerade diesen Himmelsauschnitt u.a. deswegen gewählt, weil es dort relativ wenig nahe und damit zu helle Sterne gibt, deren Anwesenheit die Beobachtung der weiter entfernten Sterne stören würde.

Um in unserer Nachbarschaft nach Transits zu suchen, brauch es einen anderen Missionsaufbau, mit dem man nun allerdings insgesamt weniger Sterne simultan beobachten könnte. Gerade das soll aber mit Kepler erreicht werden, denn um die statistische Häufigkeit von erdähnlichen Exoplanten bestimmen zu können, was das primäre Missionsziel ist, empfiehlt es sich einen möglich großen Datensatz zu erzeugen. Schließlich kann man auch nur bei ca. einem Prozent der ins Visier genommenen 100.000 Steren damit rechnen, dass die Orbitebenen eventueller Planeten gerade so mit der Sichtlinie übereinstimmen, dass Transitereignisse überhaupt stattfinden können.

Weil die meisten Kepler-Sterne jenseits von 1.000 Lichtjahren liegen, werden die Nachfolgebeobachtungen, insbesondere was die Spektrometrie angeht, nicht besonders leicht werden. Das ist ein wenig traurig, da das heißt, dass wir wahrscheinlich für eine relativ lange Zeit nicht in der Lage sein werden, Aussagen über die atmosphärische Zusammensetzung der möglicherweise in einigen Jahren von Kepler entdeckten erdähnlichen Planeten zu treffen.

Gruß, Timo

PS: Es wäre mal interessant zu wissen, welches die 100 oder so nächstgelegenen Sterne sind, die Kepler in den Blick nimmt.

Hallo, ich habe eure Beiträge durchgelesen und finde die gut. Hattet ihr eigentlich in dem von Jerry verlinkten Artikel den unteren Teil (Fragen und Antworten) gelesen? A.D.


Dieses Schema veranschaulicht, wie das Spektrum des Planeten isoliert wird. Zunächst wird die Summe des Stern- und des Planetenspektrums registriert. Dann, wenn der Planet hinter seinem Zentralstern verborgen ist, erhält man das Spektrum des Sterns allein. Zieht man die Messwerte des zweiten von denen des ersten Spektrums ab, so erhält man das gesuchte Spektrum des Planeten allein.

http://wissenschaft-online.de/artikel/1028637

Ein interesanter Artikel

MFG Steff 

Moin,

hier das Foto zum Beitrag von Steff:


This image shows the light from three planets orbiting a star 120 light-years away. The planets' star, called *HR8799*, is located at the spot marked with an 'X.' Image credit: NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

Mehr dazu >>>

Jerry

Nicht nur die Zahl der Exoplaneten steigt, es suchen auch  immer mehr Teams nach ihnen.

La Silla wird weiter aufgerüstet. Nach den Spektrographen Coralie und HARPS (das das erfolgreichste Instrument zur Suche nach Exos ist) geht nun ein robotisches Teleskop in Betrieb: TRAPPIST (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope) soll nach Transit-Exoplaneten und Asteroiden (die aber nur in diesem System) suchen (auch in Zusammenarbeit mit den anderen beiden Teleskopen). Das Teleskop wird komplett automatisch gesteuert, es handelt sich um einen 60cm Spiegel.

Dieses Projekt läuft unter belgischer Führung. ESO-Meldung

mfg websquid

Hallo,

in der Gallery von http://arachnos.astro.ulg.ac.be/Sci/Trappist/Trappist_main/Home.html

sind mehrere Bilderserien vom Aufbau und der Installation des Teleskopes TRAPPIST, welches aus Liege,Belgien,betrieben wird.

http://arachnos.astro.ulg.ac.be/Sci/Trappist/Trappist_main/Gallery/Gallery.html

in dem letzten, rechten Album erinnern mich die Wände stark an unsere Treffen.  


* Das Hauptziel des TRAPPIST Projekt,
die Erforschung der Exoplaneten und der Asteroiden,
sind wichtige Bestandteile eines entstehenden interdisziplinären Bereich der Forschung, die Astrobiologie.


auf neue Erkenntnisse können wir uns schon freuen
Gertrud

*um 19.30Uhr hinzugefügt

Hallo,

und hier dann auch die entsprechende Meldung zu dem Thema auf unserer Portalseite : 
http://www.raumfahrer.net/news/astronomie/08062010222200.shtml 

Schöne Grüße aus Hamburg - Mirko

Hallo Mirko,

sehr gut und ausführlich geschrieben.


Gertrud