25.6.2012 Beobachtung von Exoplaneten durch Amateure von Dr

25.6.2012
Beobachtung von Exoplaneten durch Amateure
von Dr. Otmar Nickel (AAG Mainz)
Seit der ersten Entdeckung eines Planeten um einen Stern außerhalb unseres Sonnensystems (1995)
sind bereits über 400 solche Objekte bekannt. Es gibt mehrere Methoden, einen solchen
Exoplaneten um einen Stern nachzuweisen, die 2 wichtigsten sind:
1. Messung der Veränderungen der Radialgeschwindigkeit des Sterns: Durch die gegenseitige
gravitative Anziehung zwischen Stern und Planet bewegt sich der Stern geringfügig
periodisch vor und zurück.
2. Messung von Helligkeitsschwankungen des Sterns: Beim Transit des Exoplaneten vor dem
Stern nimmt die Helligkeit geringfügig ab.
Die Messung der Radialgeschwindigkeiten erfordert ein großes Teleskop mit einem sehr
hochauflösenden Spektrographen. Diese Methode ist daher nur an professionellen Sternwarten
möglich.
Die Messung der Helligkeitsschwankungen beim Transit eines Exoplaneten ist aber bereits mit
kleinen Teleskopen (ab ca. 20cm Öffnung) mit einer geeigneten Kamera möglich, sofern die
Helligkeitsabnahme nicht zu klein ist. Die Transitzeiten der bekannten Exoplaneten können im
Internet gefunden werden.
Die Helligkeitsabnahme richtet sich nach dem Verhältnis der Durchmesser von Planet und Stern:
Die strahlende Fläche eines Sterns mit Radius R ist R2 π, die (nicht strahlende) Fläche des Planeten
mit Radius r ist r2 π, die Helligkeit des Sterns ist proportional zur Fläche: H1 = h∙ (R2 π) vor dem
Transit, bzw. H2 = h∙(R2 π - r2 π) während des Transits. Die Helligkeitsabnahme ist daher:
(H2-H1)/H1 =(r / R)2 .
Wenn der Planet Jupiter (aus großer Entfernung gesehen) vor unserer Sonne vorübergeht, ergibt sich
als Helligkeitsabnahme: (71500km / 696000km)2 = 0,01. In diesem Fall ist die Helligkeit also um
1% erniedrigt. Im Fall unserer Erde ergäbe sich eine Abnahme von (6378km / 696000km) 2 =
0,00008 , also weniger als 1/10000 der normalen Helligkeit. Das ist nur noch mit
Weltraumteleskopen messbar.
Mit Amateurmitteln sind Helligkeitsänderungen von Sternen in der Größenordnung von 1% noch
nachweisbar; somit können nur Exoplaneten mit Jupitergröße beobachtet werden.
Mit meinem Teleskop, einem 25cm Newton-Teleskop mit einer gekühlten CCD-Kamera ST7E
(Bild 1), konnte ich bisher 3 Transits von 2 Exoplaneten beobachten.
Eine solche Beobachtung läuft wie folgt ab (am Beispiel von HAT-P-10):
Zuerst entnehme ich die Transitzeiten und Umgebungskarten der Webseite „Variable Star and
Exoplanet Section“ der tschechischen Astronomischen Gesellschaft:
http://var2.astro.cz/ETD/predictions.php
Dann wird die angegebene Position (mit „Goto“) angefahren, ein Bild aufgenommen und der
entsprechenden Stern identifiziert (Bild 2); die Position muss danach noch geringfügig geändert
werden, dass der Stern mittig steht.
Einige Zeit vor Beginn der vorhergesagten Transit-Zeit wird eine Bildserie gestartet mit jeweils 60s
Aufnahmezeit, gestoppt wird die Serie einige Minuten nach dem vorhergesagten Transit-Ende.
Die Bilder müssen danach noch mit Dark- und Flat-Field korrigiert werden, um präzise Messungen
zu ermöglichen. Dann folgt die Messung der Sternhelligkeit mit einem geeigneten Programm. Ich
habe dazu selbst ein Programm entwickelt, mit dem die Helligkeit des Sterns relativ zu einem oder
mehreren Umgebungssternen bestimmt werden kann. Bild 3 zeigt ein Bild mit Markierungen für die
verwendeten Vergleichssterne. Bild 4 zeigt die Lichtkurven, die das Programm für den zu
messenden Stern (in rot) und die Vergleichssterne erstellt. Man sieht daran schon, dass nur die rote
Kurve eine Variabilität zeigt, die Lichtkurven für die Vergleichssterne dagegen, von kurzzeitigen
Schwankungen abgesehen, einen konstanten Verlauf zeigen. Bild 5 zeigt nur die Lichtkurve von
HAT-P-10 mit höherer Auflösung, wobei das statistische Rauschen deutlich zu sehen ist.
Auf den „TRESCA“ Webseiten kann man die eigenen Messdaten eingeben und die Lichtkurven
online auswerten lassen. Als Ergebnis bekommt man die Zeiten des Transits, die
Helligkeitsabnahme und die daraus folgende Planetengröße. Meine Messung des Transits von HATP-10 z.B. ist auf folgender Webseite zu sehen:
http://var2.astro.cz/EN/tresca/transit-detail.php?id=1328378853
Wenn man alle Messungen eines Exoplaneten-Transits sehen will, klickt man auf den Namen auf
der linken Seite der Webseite, im Fall von HAT-P-10 z.B. ist das die Seite:
http://var2.astro.cz/ETD/etd.php?STARNAME=HAT-P-10%2FWASP-11&PLANET=b
Hier sieht man als Graphik die Ergebnisse der Transit-Zeiten, bzw. die Abweichungen der
gemessenen von den vorhergesagten (O-C =observed-calculated) Zeiten (in Tagen). Im Fall von
HAT-P-10 ergibt sich ein leichter Trend nach oben, d.h. Die gemessenen Zeiten sind laufend etwas
später als berechnet. Möglicherweise wurde in diesem Fall die Periodendauer zu kurz angesetzt.
Ergebnisse der bisherigen Beobachtungen:
TrES-3b am 14.8.2009: gemessene Helligkeitsabnahme 3%, Transitdauer 77 Min.
TrES-3b am 25.20.2009: gemessene Helligkeitsabnahme 2,5%, Transitdauer 79 Min.
HAT-P-10 (=WASP-11b) am 31.1.2012: gemessene Helligkeitsabnahme 2,4%, Transitdauer 163
Min.
Die Schwankungsbreite der Helligkeitsmessungen lag im günstigsten Fall bei 0,5%.
Durch viele Messungen der Transitzeiten eines Exoplaneten können die Bahnparameter genauer
bestimmt werden. Dadurch können auch Bahnstörungen ermittelt werden, die sich durch eventuelle
weitere Planeten ergeben.
Auch wenn man als Amateur nur ein kleines, aber vielleicht wissenschaftlich relevantes
Mosaiksteinchen beitragen kann, gibt einem dies doch viel Freude und Motivation bei der
Beobachtung.
Abbildung 1: Newton-Teleskop mit
CCD-Kamera
Abbildung 2: 60s Aufnahme (ohne Filter) von HAT-P-10
Abbildung 3: Messfelder für den Transit-Stern und umgebende Vergleichssterne
Abbildung 4: Lichtkurven des Transitsterns und der Vergleichs-/Kontrollsterne
Abbildung 5: Lichtkurve von HAT-P-10 am 31.1.2012 (X-Achse: Bildnummer)