Ein Astrophysiker der Northwestern University hat das bislang längste Zeitraffervideo eines Exoplaneten erstellt.
Das aus realen Daten erstellte Filmmaterial zeigt Beta Pictoris b – einen Planeten mit der 12-fachen Masse von Jupiter – der in einer geneigten Umlaufbahn um seinen Stern segelt. Das Zeitraffervideo komprimiert 17 Jahre Filmmaterial (gesammelt zwischen 2003 und 2020) auf 10 Sekunden. Innerhalb dieser Sekunden können Zuschauer beobachten, wie der Planet etwa 75 % einer vollständigen Umlaufbahn durchläuft.
„Wir benötigen weitere sechs Jahre an Daten, bevor wir eine vollständige Umlaufbahn sehen können“, sagte der Northwestern-Astrophysiker Jason Wang, der die Arbeit leitete. „Wir haben es fast geschafft. Geduld ist der Schlüssel.“
Als Experte für die Bildgebung von Exoplaneten ist Wang Assistenzprofessor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten und Mitglied des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Ende letzten Jahres enthüllte Wang ein 12-Jahres-Zeitraffervideo (unten) einer Familie von vier Exoplaneten, die ihren Stern umkreisen.
Bildnachweis: Jason Wang/Malachi Noel
Beta Pictoris b ist ein riesiger Planet, der etwa 63 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Pictor liegt. Der Abstand zwischen Beta Pictoris b und seinem Stern (Beta Pictoris) beträgt etwa das Zehnfache des Abstands zwischen Erde und Sonne. Im Vergleich zu unserer Sonne ist Beta Pictoris 1,75-mal so massereich und 8,7-mal leuchtender. Außerdem ist es sehr jung – erst 20 bis 26 Millionen Jahre alt.
Als Beta Pictoris b im Jahr 2003 zum ersten Mal abgebildet wurde, war er aufgrund seiner Größe und Helligkeit im Vergleich zu anderen Exoplaneten leichter zu erkennen.
„Es ist extrem hell“, sagte Wang. „Deshalb ist es einer der ersten Exoplaneten, die jemals entdeckt und direkt abgebildet wurden. Er ist so groß, dass er an der Grenze zwischen einem Planeten und einem Braunen Zwerg liegt, die massereicher sind als Planeten.“
Bildnachweis: Northwestern University
Wang begann vor Jahren mit der Verfolgung des Exoplaneten und erstellte seine ersten Zeitrafferaufnahmen des Systems, um fünf Jahre seiner Reise zu zeigen. Für die aktualisierte, längere Version des Zeitraffers suchte Wang Hilfe bei Malachi Noel, einem Schüler der New Trier High School in Winnetka, Illinois. Noel verbrachte den Sommer 2022 als Mitglied des CIERA-Programms „Research Experiences in Astronomy at CIERA for High School Students“ (REACH). Als REACH-Absolvent begann Noel im Januar 2023 unter Wangs Mentor zu arbeiten.
Noel nutzte KI-gesteuerte Bildverarbeitungstechniken, um archivierte Bilddaten von drei Instrumenten – einem am Gemini-Observatorium und zwei am Europäischen Südobservatorium – einheitlich zu analysieren. Nachdem Noel die Daten gleichmäßig verarbeitet hatte, nutzte Wang eine algorithmische Technik namens Bewegungsinterpolation, um Lücken zu füllen und ein kontinuierliches Video zu erstellen. Andernfalls würde der Exoplanet herumspringen, anstatt reibungslos durch den Weltraum zu kreisen.
„Wenn wir die Bilder einfach kombinieren würden, würde das Video wirklich nervös aussehen, weil wir das System 17 Jahre lang nicht jeden Tag ununterbrochen gesehen haben“, sagte Wang. „Der Algorithmus gleicht dieses Zittern aus, sodass wir uns vorstellen können, wie der Planet aussehen würde, wenn wir ihn jeden Tag sehen würden.“
„Aufgrund der großen Zeitspanne gab es eine große Vielfalt unter den Datensätzen, was häufige Anpassungen der Bildverarbeitung erforderte“, sagte Noel. „Die Arbeit mit den Daten hat mir wirklich Spaß gemacht. Auch wenn es noch zu früh ist, um das sicher zu sagen, ist Astrophysik definitiv ein Berufsweg, den ich ernsthaft in Erwägung ziehe.“
Um das Video zusammenzustellen, verwendete Wang auch eine Technologie namens „adaptive Optik“, um die durch die Erdatmosphäre verursachte Bildunschärfe zu korrigieren, und spezielle Instrumente, um die Blendung des Zentralsterns des Systems zu unterdrücken. (Aus diesem Grund ist in der Mitte des Videos ein schwarzer Kreis um ein Cartoon-Sternsymbol zu sehen.)
Selbst mit diesen Techniken ist die Blendung des Sterns immer noch so intensiv, dass er den Exoplaneten überstrahlt, wenn er zu nahe kommt. Für diese Abschnitte markierte Wang den kurzzeitig unbeobachtbaren Exoplaneten mit einem „x“, damit die Betrachter seinen Weg verfolgen können.
Wang hofft, dass seine Exoplaneten-Videos den Zuschauern einen Einblick in die Planetenbewegung und eine Bewunderung für das Innenleben des Universums geben.
„In der Wissenschaft verwenden wir oft abstrakte Ideen oder mathematische Gleichungen“, sagte Wang. „Aber so etwas wie ein Film – den man mit eigenen Augen sehen kann – vermittelt ein viszerales Verständnis für die Physik, das man nicht gewinnen würde, wenn man sich nur die Darstellungen in einer Grafik anschaut.“
Um das Video zusammenzustellen, verwendete Wang Daten des Gemini Planet Imager des Gemini Observatory und der NACO- und SPHERE-Instrumente des European Southern Observatory.