Astronomen entdecken die letzten drei Planeten, die das Kepler-Teleskop beobachtet hat, bevor es dunkel wird

Die Existenz von mehr als 5.000 Planeten außerhalb unseres Sonnensystems ist bestätigt. Über die Hälfte davon wurde vom Kepler-Weltraumteleskop der NASA entdeckt, einem widerstandsfähigen Observatorium, das seine ursprünglich geplante Mission bei weitem überdauerte. Über neuneinhalb Jahre hinweg folgte die Raumsonde der Erde und suchte den Himmel nach periodischen Einbrüchen im Sternenlicht ab, die auf die Anwesenheit eines Planeten hinweisen könnten, der vor seinem Stern vorbeikreuzt.

In seinen letzten Tagen zeichnete das Teleskop weiterhin die Helligkeit von Sternen auf, während ihm der Treibstoff ausging. Am 30. Oktober 2018 wurde die Raumsonde offiziell ausgemustert, da ihre Treibstofftanks erschöpft waren.

Jetzt haben Astronomen am MIT und an der University of Wisconsin in Madison mit Hilfe von Bürgerwissenschaftlern die möglicherweise letzten Planeten entdeckt, die Kepler vor der Dunkelheit beobachtete.

Das Team durchforstete die hochwertigen Daten der letzten Woche des Teleskops und entdeckte drei Sterne im selben Teil des Himmels, die kurzzeitig dunkler zu werden schienen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass zwei der Sterne jeweils einen Planeten beherbergen, während der dritte einen „Kandidaten“ für einen Planeten beherbergt, der noch verifiziert werden muss.

Die beiden bestätigten Planeten sind K2-416 b, ein Planet, der etwa 2,6-mal so groß wie die Erde ist und seinen Stern etwa alle 13 Tage umkreist, und K2-417 b, ein etwas größerer Planet, der etwas mehr als dreimal so groß ist wie die Erde und das alle 6,5 Tage um seinen Stern kreist. Aufgrund ihrer Größe und Nähe zu ihren Sternen gelten beide Planeten als „heiße Mini-Neptune“. Sie befinden sich etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Der Planetkandidat ist EPIC 246251988 b – der größte der drei Welten mit fast viermal der Größe der Erde. Dieser neptungroße Kandidat umkreist seinen Stern in etwa 10 Tagen und ist etwas weiter entfernt, 1.200 Lichtjahre von der Erde.

„Wir haben die wahrscheinlich letzten Planeten gefunden, die Kepler jemals entdeckt hat, und zwar in Daten, die aufgenommen wurden, während die Raumsonde buchstäblich mit Dämpfen lief“, sagt Andrew Vanderburg, Assistenzprofessor für Physik am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT. „Die Planeten selbst sind nicht besonders ungewöhnlich, aber ihre untypische Entdeckung und historische Bedeutung machen sie interessant.“

Das Team hat seine Entdeckung heute in der Zeitschrift veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Vanderburgs Co-Autoren sind die Hauptautorin Elyse Incha von der University of Wisconsin in Madison und die Amateurastronomen Tom Jacobs und Daryll LaCourse sowie Wissenschaftler der NASA, des Center for Astrophysics of Harvard und des Smithsonian sowie der University of North Carolina Kapellenhügel.

Datenknappheit

Im Jahr 2009 schickte die NASA das Kepler-Teleskop ins All, wo es der Erdumlaufbahn folgte und kontinuierlich Millionen von Sternen in einem Teil des Nordhimmels überwachte. Über vier Jahre hinweg zeichnete das Teleskop die Helligkeit von über 150.000 Sternen auf, die Astronomen nutzten, um Tausende möglicher Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu entdecken.

Kepler führte seine Beobachtungen über seine ursprüngliche dreieinhalbjährige Mission hinaus fort, bis im Mai 2013 das zweite von vier Reaktionsrädern ausfiel. Die Räder dienten als Gyroskope des Raumfahrzeugs und halfen dabei, das Teleskop auf einen bestimmten Punkt am Himmel zu richten. Keplers Beobachtungen wurden unterbrochen, während Wissenschaftler nach einer Lösung suchten.

Ein Jahr später startete Kepler als „K2“ neu, eine überarbeitete Mission, die den Sonnenwind nutzte, um das instabile Raumschiff so auszubalancieren, dass das Teleskop jeweils einige Monate lang relativ stabil blieb – ein Zeitraum, der Kampagne genannt wird. K2 dauerte weitere vier Jahre und beobachtete über eine halbe Million weitere Sterne, bevor der Raumsonde während ihrer 19. Kampagne schließlich der Treibstoff ausging. Die Daten dieser letzten Kampagne umfassten nur eine Woche hochqualitativer Beobachtungen und weitere zehn Tage lauterer Messungen, da die Raumsonde schnell Treibstoff verlor.

„Wir waren neugierig, ob wir aus diesem kurzen Datensatz etwas Nützliches herausholen können“, sagt Vanderburg. „Wir haben versucht herauszufinden, welche letzten Informationen wir daraus herausholen können.“

Nach Augenmaß

Vanderburg und Incha stellten die Herausforderung der Visual Survey Group, einem Team aus Amateur- und Profiastronomen, die in Satellitendaten nach Exoplaneten suchen. Sie durchsuchen mit dem Auge Tausende aufgezeichneter Lichtkurven jedes Sterns und suchen nach charakteristischen Helligkeitseinbrüchen, die einen „Transit“ oder die mögliche Durchquerung eines Planeten vor seinem Stern anzeigen.

Die Bürgerwissenschaftler sind besonders geeignet, kurze Datensätze wie die allerletzte Kampagne von K2 zu durchforsten.

„Sie können Transite von anderen verrückten Dingen wie einem Fehler im Instrument unterscheiden“, sagt Vanderburg. „Das ist besonders hilfreich, wenn Ihre Datenqualität zu leiden beginnt, wie es bei den letzten Daten von K2 der Fall war.“

Die Astronomen verbrachten einige Tage damit, effizient durch die Lichtkurven zu schauen, die Kepler von etwa 33.000 Sternen aufzeichnete. Das Team arbeitete nur mit den hochwertigen Daten des Teleskops für eine Woche, bevor es anfing, an Treibstoff und Fokus zu verlieren. Selbst in diesem kurzen Datenfenster konnte das Team einen einzelnen Transit in drei verschiedenen Sternen entdecken.

Anschließend untersuchten Incha und Vanderburg die allerletzten Beobachtungen des Teleskops mit geringerer Qualität, die in den letzten elf Betriebstagen gemacht wurden, um zu sehen, ob sie weitere Transite bei denselben drei Sternen entdecken konnten – ein Beweis dafür, dass ein Planet seinen Stern regelmäßig umkreiste.

Während dieses 11-tägigen Zeitraums, als die Raumsonde Treibstoff verlor, feuerten ihre Triebwerke unregelmäßiger, was dazu führte, dass die Sicht des Teleskops verschwand. Bei ihrer Analyse konzentrierte sich das Team auf den Bereich der Lichtkurven jedes Sterns zwischen den Triebwerksaktivitäten, um zu sehen, ob sie in diesen weniger datenverrauschten Momenten zusätzliche Transite erkennen konnten.

Diese Suche ergab einen zweiten Transit für K2-416 b und K2-417 b und bestätigte damit, dass sie jeweils einen Planeten beherbergen. Das Team entdeckte auch einen ähnlichen Helligkeitsabfall für K2-417 b in Daten desselben Sterns, die vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA aufgenommen wurden, einer Mission, die vom MIT geleitet und betrieben wird. Daten von TESS halfen dabei, den Planetenkandidaten um diesen Stern zu bestätigen.

„Bei diesen beiden handelt es sich so ziemlich ohne Zweifel um Planeten“, sagt Incha. „Wir haben außerdem bodengestützte Beobachtungen durchgeführt, um alle möglichen falsch-positiven Szenarien für sie auszuschließen, einschließlich Sterninterferenzen im Hintergrund und nahegelegenen Sterndoppelsternen.“

„Dies sind die letzten chronologisch von Kepler beobachteten Planeten, aber alle Daten des Teleskops sind unglaublich nützlich“, sagt Incha. „Wir wollen sicherstellen, dass keine dieser Daten verschwendet werden, denn es gibt noch viele Entdeckungen zu machen.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.