NASA-Planetenjäger findet erdgroße Welt in habitabler Zone

Der Transiting Exoplanet Survey Satellit (TESS) der NASA hat seinen ersten erdgroßen Planeten in der habitablen Zone eines Sterns entdeckt. Dabei handelt es sich um eine Entfernung, bei der die Bedingungen für die Anwesenheit von flüssigem Wasser auf der Oberfläche genau richtig sind. Wissenschaftler haben die Entdeckung mit dem Namen TOI 700 d mit Hilfe des Spitzer-Weltraumteleskops bestätigt und die potenziellen Umgebungen des Planeten als Grundlage für künftige Beobachtungen modelliert.

TOI 700 d ist einer der wenigen erdgroßen Planeten, die bisher in der habitablen Zone eines Sterns entdeckt wurden. Andere Sterne haben mehrere Planeten wie das TRAPPIST-1-System und auch andere Welten, die vom Kepler-Weltraumteleskop entdeckt wurden.

„TESS wurde speziell entwickelt und gestartet, um erdgroße Planeten zu finden, die nahe gelegene Sterne umkreisen“, sagte Paul Hertz, Direktor für Astrophysik am Hauptsitz der NASA in Washington. „Planeten in der Nähe ihrer Sterne lassen sich am einfachsten mit größeren Teleskopen im Weltraum und auf der Erde aufspüren. Die Entdeckung von TOI 700 d ist eine wichtige wissenschaftliche Erkenntnis für TESS. Die Bestätigung durch das Spitzer-Teleskop von der Größe des Planeten und seinem Platz in der habitablen Zone ist ein weiterer Gewinn für Spitzer, da das Ende seiner wissenschaftlichen Operationen mit Ende Jänner naht.“

TESS überwachte 27 Tage lang große Sektoren. Diese lange Beobachtungszeit ermöglichte es dem Satelliten, Änderungen in der Sternhelligkeit zu verfolgen, die von einem umlaufenden Planeten verursacht wird der aus unserer Sicht vor seinem Stern vorbeiwandert, ein Ereignis, das als Transit bezeichnet wird.

TOI ist ein kleiner, kühler M-Zwerg, der sich etwas mehr als 100 Lichtjahre von uns entfernt im südlichen Sternbild Dorado befindet. Er hat ungefähr 40 % Sonnenmasse und etwa die Hälfte von der Oberflächentemperatur unserer Sonne. Der Stern befindet sich in 11 der 13 Sektoren, die TESS während des ersten Jahres seiner Mission beobachtet hat und Wissenschaftler haben bei den drei Planeten in diesem System mehrere Transits beobachtet.

Der Stern wurde ursprünglich in der TESS-Datenbank fälschlicherweise als sonnenähnlich eingestuft, was bedeutete, dass die Planeten größer und heißer wirkten als sie tatsächlich sind. Mehrere Forscher, darunter Alton Spencer, ein High School Student, der mit Mitgliedern des TESS-Teams zusammenarbeitet, entdeckten den Fehler.

„Als wir die Parameter des Sterns korrigierten, sanken die Größen seiner Planeten und wir stellten fest, dass der äußerste etwa so groß wie die Erde und in der habitablen Zone ist“, sagte Emily Gilbert, eine Doktorandin an der Universität Chicago. „Darüber hinaus haben wir in elf Monaten keine Flares vom Stern gesehen, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass TOI 700 d habitabel sein könnte, was es einfacher machte, seine Oberflächenbedingungen und seine Atmosphäre zu modellieren.“

Gilbert und andere Forscher stellten die Ergebnisse am 235. Treffen der American Astronomical Society in Honolulu vor und drei Artikel, von denen eines unter der Leitung von Gilbert gemacht wurde, sind wissenschaftlichen Fachzeitschriften vorgelegt worden.

Der innerste Planet mit der Bezeichnung TOI 700 b, hat fast genau die Größe der Erde, ist vermutlich ein Gesteinsplanet und benötigt für einen Umlaufbahn um seinen Stern 10 Tage. Der mittlere Planet, TOI 700 c, ist 2,6-mal größer als die Erde und damit in der Größe zwischen Erde und Neptun, umkreist alle 16 Tage den Stern und ist vermutlich ein Gasplanet. TOI 700 d, der äußerste bekannte Planet im System und der einzige in der habitablen Zone, ist 20 % größer als die Erde, hat eine Umlaufperiode von 37 Tagen und erhält von seinem Stern 86 % der Energie, welche die Sonne für die Erde liefert. Es wird angenommen, dass alle Planeten eine gebundene Rotation haben, was bedeutet, dass sie sich nur einmal pro Umlaufbahn drehen und dass eine Seite ständig Tageslicht hat.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Joseph Rodriguez, einem Astronomen am Harvard Smithsonian Institut in Cambridge, Massachusetts, bat Spitzer um weitere Beobachtungen, um TOI d 700 zu bestätigen.

„Angesichts der Auswirkungen dieser Entdeckung – dass es sich bei TESS um den ersten erdgroßen Planeten in der habitablen Zone handelt – wollten wir dieses System so gut wie möglich verstehen“, sagte Rodriguez. „Spitzer hat den Transit von TOI 700 d genau so gesehen, wie wir es erwartet hatten. Dies ist eine großartige Ergänzung zum Vermächtnis einer Mission, die dazu beigetragen hat, zwei der TRAPPIST-1-Planeten zu bestätigen und fünf weitere zu identifizieren.“

Die Spitzer-Daten haben das Vertrauen der Wissenschaftler in TOI 700 d als realen Planeten gestärkt und durch ihre Messungen die Umlaufzeit um 56% und die Größe des Planeten um 38% verbessert. Es schloss auch andere mögliche astrophysikalische Ursachen des Transitsignals, wie die Anwesenheit eines kleineren, schwächeren Begleitsterns im System, aus.

Rodriguez und seine Kollegen verwendeten auch Folge-Beobachtungen von einem 1-Meter- Bodenteleskop im globalen Netzwerk des Las Cumbres Observatoriums, um das Vertrauen der Forscher in Umlaufzeit und Größe von TOI 700 d um 30% bzw. 36% zu verbessern.

Da TOI 700 hell und relativ nahe ist und keinerlei Anzeichen von stellaren Flares aufweist, ist das System ein erstklassiger Kandidat für präzise Massen-Messungen durch aktuelle bodengestützte Observatorien. Diese Messungen könnten die Schätzungen der Wissenschaftler bestätigen, dass der innere und äußere Planet Gesteinsplaneten sind und der mittlere ein Gasplanet ist.

Zukünftige Missionen könnten möglicherweise erkennen, ob die Planeten eine Atmosphäre haben, und falls ja, sogar deren Zusammensetzung bestimmen.

Während die exakten Konditionen für TOI 700 d noch unbekannt sind, können Wissenschaftler aktuelle Informationen, wie die Größe des Planeten und den Typ des Zentralsterns verwenden, um Computermodelle zu erstellen und Vorhersagen zu treffen. Forscher am Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, haben 20 potenzielle Umgebungen von TOI 700 d modelliert, um festzustellen, ob eine dieser Versionen zu geeigneten Oberflächen-Bedingungen für eine Bewohnbarkeit führen würde.

Ihre 3D-Klimamodelle untersuchten eine Vielzahl von Oberflächentypen und atmosphärischen Zusammensetzungen, welche typischerweise von Wissenschaftler als potenziell bewohnbare Welten angesehen werden. Da TOI 700 d eine gebundene Rotation hat, können sich Wolkenformationen und Windmuster des Planeten deutlich von jenen der Erde unterscheiden.

Eine Simulation beinhaltete einen mit einem Ozean bedeckten TOI 700 d mit einer dichten von Kohlendioxid dominierten Atmosphäre, ähnlich jener, von der Wissenschaftler vermuten, dass sie einst den jungen Mars umgab. Die modellierte Atmosphäre enthielt auf der dem Stern zugewandten Seite eine tiefe Wolkenschicht. Ein anderes Modell zeigt TOI 700 d als wolkenlose überwiegend mit Land versehene Version der heutigen Erde, bei der Winde von der Nachtseite des Planeten wegströmen und auf dem Punkt konvergieren, der direkt dem Stern zugewandt ist.

Wenn Sternenlicht die Atmosphäre eines Planeten durchdringt und mit Molekülen wie Kohlendioxid und Stickstoff interagiert, werden bestimmte Signale erzeugt, welche Spektrallinien genannt werden. Das Team unter der Leitung von Gabrielle Englemann-Suissa, einer Forschungsassistentin am Goddard, erstellte simulierte Spektren für die 20 modellierten Versionen des TOI 700 d.

„Wenn wir eines Tages echte Spektren von TOI 700 d haben, können wir diese zurückverfolgen und mit dem ähnlichsten simuliertem Spektrum abgleichen und dann das Modell verbessern“, sagte Englemann-Suissa. „Es ist aufregend, denn egal, was wir über den Planeten erfahren werden, es wird ganz anders sein als das, was wir von der Erde her kennen.“

8. Jänner 2020/SP
Verein Kuffner-Sternwarte