Astronomen suchen ständig am Himmel nach dem Unerwarteten. Sie sind bereit, neue Ideen anzunehmen, die die Weisheit vergangener Jahre ersetzen könnten.
Es gibt jedoch eine Ausnahme von der Regel: die Suche nach Erde 2.0. Hier wollen wir nicht das Unerwartete finden, sondern das Erwartete. Wir wollen einen Planeten finden, der unserem so ähnlich ist, dass wir ihn fast als Heimat bezeichnen können.
Während wir diese Planeten nicht genau genug abbilden können, um zu sehen, ob es sich um eine Wasserwelt mit üppigen grünen Pflanzen und Zivilisationen handelt, können wir indirekte Methoden verwenden, um einen „erdähnlichen“ Planeten zu finden - einen Planeten mit einer ähnlichen Masse und Radius zur Erde.
Es gibt nur ein Problem: Die derzeitigen Techniken zur Messung der Masse eines Exoplaneten sind begrenzt. Bis heute messen Astronomen die Radialgeschwindigkeit - winzige Wackelbewegungen in der Umlaufbahn eines Sterns, während er durch die Anziehungskraft seines Exoplaneten gezogen wird -, um das Massenverhältnis von Planet zu Stern abzuleiten.
Aber angesichts der Tatsache, dass die meisten Exoplaneten über ihr Transitsignal erfasst werden - Lichteinbrüche, wenn ein Planet vor seinem Wirtsstern vorbeizieht - wäre es nicht großartig, wenn wir seine Masse allein anhand dieser Methode messen könnten? Nun, Astronomen am MIT haben einen Weg gefunden.
Die Doktorandin Julien de Wit und MacArthur Fellow Sara Seager haben eine neue Technik zur Bestimmung der Masse entwickelt, bei der nur das Transitsignal eines Exoplaneten verwendet wird. Wenn ein Planet durchläuft, passiert das Licht des Sterns eine dünne Schicht der Atmosphäre des Planeten, die bestimmte Wellenlängen des Lichts des Sterns absorbiert. Sobald das Sternenlicht die Erde erreicht, wird es mit den chemischen Fingerabdrücken der Zusammensetzung der Atmosphäre bedruckt.
Das sogenannte Transmissionsspektrum ermöglicht es Astronomen, die Atmosphären dieser fremden Welten zu untersuchen.
Aber hier ist der Schlüssel: Ein massereicherer Planet kann an einer dickeren Atmosphäre festhalten. Theoretisch könnte die Masse eines Planeten anhand der Atmosphäre oder des Transmissionsspektrums allein gemessen werden.
Natürlich gibt es keine Eins-zu-Eins-Korrelation, sonst hätten wir das schon vor langer Zeit herausgefunden. Das Ausmaß der Atmosphäre hängt auch von ihrer Temperatur und dem Gewicht ihrer Moleküle ab. Wasserstoff ist so leicht, dass er leichter aus der Atmosphäre abrutscht als beispielsweise Sauerstoff.
Also arbeitete de Wit nach einer Standardgleichung, die die Skalenhöhe beschreibt - die vertikale Entfernung, über die der Druck einer Atmosphäre abnimmt. Das Ausmaß, in dem der Druck abfällt, hängt von der Temperatur des Planeten, der Gravitationskraft des Planeten (a.k.a. Masse) und der Dichte der Atmosphäre ab.
Nach der Grundalgebra: Wenn wir drei dieser Parameter kennen, können wir den vierten lösen. Daher kann die Gravitationskraft oder Masse des Planeten aus seiner atmosphärischen Temperatur, seinem Druckprofil und seiner Dichte abgeleitet werden - Parameter, die nur in einem Transmissionsspektrum erhalten werden können.
Mit der theoretischen Arbeit dahinter verwendeten de Wit und Seager den heißen Jupiter HD 189733b mit einer bereits gut etablierten Masse als Fallstudie. Ihre Berechnungen ergaben die gleiche Massenmessung (1,15-fache Masse des Jupiters) wie bei Radialgeschwindigkeitsmessungen.
Diese neue Technik wird in der Lage sein, die Masse der Exoplaneten allein anhand ihrer Transitdaten zu charakterisieren. Während heiße Jupiter das Hauptziel der neuen Technik bleiben, wollen de Wit und Seager in naher Zukunft erdähnliche Planeten beschreiben. Mit dem für 2018 geplanten Start des James Webb-Weltraumteleskops sollten Astronomen in der Lage sein, die Masse viel kleinerer Welten zu erhalten.
Das Papier wurde im Science Magazine veröffentlicht und steht jetzt in viel längerer Form hier zum Download zur Verfügung.
