Erste direkte Beobachtung des Exoplaneten β Pictoris c

2. Oktober 2020

Astronomen haben mit dem GRAVITY-Instrument an den VLT-Teleskopen in Chile jetzt die erste direkte Bestätigung für einen Exoplaneten erhalten, der durch die Methode der Radialgeschwindigkeitsmessung entdeckt worden war. Da der Planet „β Pictoris c“ seinen Mutterstern auf einer sehr nahen Umlaufbahn umkreist, ist dies das erste Mal, dass das schwache Leuchten des Exoplaneten neben dem hellen Strahlen des Sterns direkt beobachtet werden konnte. Mit diesen Beobachtungen können die Astronomen nun sowohl die Helligkeit als auch die dynamische Masse eines Exoplanete erhalten, was es ihnen erlaubt, die Entstehungsmodelle für Exoplaneten besser einzugrenzen.

Durch das „Zusammenschalten“ der vier großen VLT-Teleskope ist es Astronomen der GRAVITY-Kollaboration gelungen, das schwache Leuchten eines Exoplaneten in der unmittelbaren Nähe seines Muttersterns direkt zu beobachten. Der Planet mit dem Namen "β Pictoris c" ist der zweite Planet, der auf einer Umlaufbahn um seinen Mutterstern gefunden wurde. Ursprünglich wurde er entdeckt mittels der „Methode der Radialgeschwindigkeiten“, bei der die periodische Bewegung des Muttersterns aufgrund des ihn umlaufenden Planeten gemessen wird. β Pictoris c ist so nahe an seinem Mutterstern, dass selbst die besten Teleskope den Planeten bisher nicht direkt abbilden konnten.

Diese schematischen Ansichten zeigen die Geometrie des β Pictoris-Systems: Das linke Bild zeigt sowohl den Stern als auch die beiden Planeten, die in eine Staubscheibe eingebettet sind, in der Orientierung wie sie vom Sonnensystem aus sichtbar sind. Diese Ansicht wurde auf der Basis tatsächlicher Beobachtungsdaten erstellt. Das mittlere Bild zeigt eine künstlerische Darstellung der Planenten bzw. der Scheibe. Das Bild rechts zeigt die Dimensionen des Systems in der Sicht von oben und frühere Beobachtungen von β Pictoris b (orangefarbene Rauten und rote Kreise) sowie die neuen direkten Beobachtungen von β Pictoris c (grüne Kreise). Die genaue Umlaufbahn des Planeten c ist noch etwas unsicher (unscharfer weißer Bereich).

„Dies ist die erste direkte Bestätigung eines Planeten, der mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt wurde“, sagt Sylvestre Lacour, Leiter des ExoGRAVITY-Beobachtungsprogramms. Astronomen verwenden die Messungen der Radialgeschwindigkeit seit vielen Jahrzehnten und haben mit dieser Methode Hunderten von Exoplaneten aufgespürt. Aber nie zuvor waren die Astronomen in der Lage, eine direkte Beobachtung eines dieser Planeten zu erhalten. Dies war nur möglich, weil das GRAVITY-Instrument, das sich in einem Labor unter den vier VLT-Teleskopen befindet, sehr präzise ist. Es beobachtet das Licht des Muttersterns mit allen vier Teleskopen gleichzeitig und kombiniert sie zu einem virtuellen Teleskop, das die nötige Auflösung besitzt um β Pictoris c zu beobachten.

„Es ist erstaunlich, welche Detailgenauigkeit und Empfindlichkeit wir mit GRAVITY erreichen können“, sagt Frank Eisenhauer, der leitende Wissenschaftler des GRAVITY-Projekts am MPE. „Wir fangen gerade erst an, atemberaubende neue Welten zu erforschen, vom supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie bis hin zu Planeten außerhalb des Sonnensystems.“

Der direkte Nachweis mit GRAVITY war jedoch nur möglich dank neuer Radialgeschwindigkeitsdaten, die die Bahnbewegung von β Pictoris c genau festlegen und in einer zweiten, ebenfalls heute veröffentlichten Arbeit vorgestellt wurden. Dies ermöglichte es dem Team, die erwartete Position des Planeten genau vorherzusagen, so dass GRAVITY in der Lage war, ihn zu finden.

β Pictoris c ist somit der erste Planet, der mit beiden Methoden, Radialgeschwindigkeitsmessungen und einer direkten Beobachtung, entdeckt und bestätigt wurde. Zusätzlich zum unabhängigen Nachweis des Exoplaneten können die Astronomen nun das Wissen aus diesen beiden bisher getrennten Verfahren kombinieren. „Das heißt, dass wir jetzt sowohl die Helligkeit als auch die Masse dieses Exoplaneten erhalten können“, erklärt Mathias Nowak, der Hauptautor der Veröffentlichung, in der die Entdeckung mit GRAVITY beschrieben wird. „Im Allgemeinen gilt: Je massereicher der Planet desto leuchtkräftiger."

Im aktuellen Fall sind die Daten über die beiden Planeten jedoch etwas rätselhaft: β Pictoris c leuchtet sechsmal schwächer als sein größerer Bruder β Pictoris b. Dabei hat β Pictoris c die 8-fache Masse des Jupiters. Wie massereich ist also β Pictoris b? Radialgeschwindigkeitsdaten werden diese Frage beantworten können, aber es wird lange dauern, um genügend Daten zu sammeln: Eine volle Umlaufbahn des Planeten b um seinen Stern dauert 28 unserer Jahre!

„Bereits aus früheren Messungen, bei denen wir mit GRAVITY für andere Exoplaneten Spektren aufgenommen haben, konnten wir bestimmte Rückschlüsse auf die Entstehungsprozesse der Planeten ziehen“, fügt Paul Molliere hinzu, der als Postdoc-Wissenschaftler am MPIA die Spektren von Exoplaneten modelliert. „Aber diese Kombination aus Helligkeitsmessung und Massenbestimmung für β Pictoris c ist ein besonders wichtiger Schritt, um die Modelle der Planetenentstehung auf die Probe zu stellen.“ Weitere Daten könnte auch GRAVITY+ liefern, das Instrument der nächsten Generation, das sich bereits in der Entwicklung befindet.

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