Das Fotografieren schwacher Objekte in der Nähe heller Sterne ist unglaublich schwierig. Doch durch die Kombination von Daten des ESA-Weltraumteleskops Gaia mit dem bodengestützten GRAVITY-Instrument der ESO gelang es Wissenschaftlern, genau dies zu erreichen. Sie machten die ersten Bilder bisher ungesehener schwacher Begleiter von acht leuchtenden Sternen. Die Technik eröffnet die verlockende Möglichkeit, Bilder von Planeten aufzunehmen, die in der Nähe ihrer Muttersterne kreisen.
Haben Sie schon einmal versucht, ein Glühwürmchen neben einer hellen Straßenlaterne zu fotografieren? Wahrscheinlich werden Sie auf Ihrem Schnappschuss nur das grelle Licht der Laterne sehen. Mit demselben Problem sind auch Astronomen konfrontiert, die nach schwachen, kleinen Sternen oder Planeten neben einem hellen Stern suchen.
Um das Problem zu lösen, begann ein internationales Team von Astronomen unter der Leitung von Thomas Winterhalder, Wissenschaftler an der Europäischen Südsternwarte (ESO), mit der Durchsicht des von Gaia erstellten Katalogs, der Hunderttausende von Sternen auflistet, bei denen der Verdacht auf einen Begleiter besteht.
Obwohl die Begleitobjekte nicht hell genug sind, um von Gaia direkt gesehen zu werden, führt ihre Anwesenheit zu winzigen Schwankungen auf den Bahnen der helleren Wirtssterne, die nur Gaia messen kann.
In Gaias Katalog der Sternumlaufbahnen identifizierte das Team acht Sterne, die von GRAVITY, dem hochentwickelten Nahinfrarot-Interferometer am Very Large Telescope der ESO auf dem Cerro Paranal in Chile, erfasst werden sollen. GRAVITY kombiniert Infrarotlicht von verschiedenen Teleskopen, um winzige Details in lichtschwachen Objekten zu erfassen. Die Technik heißt Interferometrie. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Astronomie & Astrophysik.
Jackpot
Dank des einzigartig scharfen und empfindlichen Auges von GRAVITY konnte das Team das Lichtsignal aller acht vorhergesagten Begleiter erfassen, von denen sieben bislang unbekannt waren. Drei der Begleiter sind sehr kleine und schwache Sterne, während es sich bei den anderen fünf um Braune Zwerge handelt. Dies sind Himmelskörper zwischen Planeten und Sternen: massereicher als die schwersten Planeten, aber leichter und schwächer als die leichtesten Sterne.
Einer der in dieser Studie entdeckten Braunen Zwerge umkreist seinen Mutterstern in der gleichen Entfernung von der Sonne wie die Erde. Dies ist das erste Mal, dass ein Brauner Zwerg, der so nah an seinem Mutterstern ist, direkt erfasst werden konnte.
„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, ein Bild eines schwachen Begleiters aufzunehmen, selbst wenn dieser sehr nah an seinem hellen Wirtsstern vorbei kreist“, erklärt Thomas. „Diese Leistung unterstreicht die bemerkenswerte Synergie zwischen Gaia und GRAVITY. Nur Gaia kann solche engen Systeme identifizieren, die einen Stern und einen ‚versteckten‘ Begleiter beherbergen, und dann kann GRAVITY übernehmen und das kleinere und schwächere Objekt mit beispielloser Genauigkeit abbilden.“
In einer früheren Studie nutzten Astronomen Gaia-Daten und ein anderes bodengebundenes Observatorium, um das Bild eines riesigen Gas-Exoplaneten aufzunehmen. Dieser Planet umkreist seinen Mutterstern in etwa 17-facher Entfernung von der Sonne zur Erde und beschreibt einen Winkel am Himmel, der erheblich größer ist als der typische Abstand der Begleiter, der in diesem neuen Ergebnis von GRAVITY abgebildet wurde.
Die aus den Gaia-Beobachtungen abgeleiteten kleinen Begleiter liegen typischerweise in winzigen Abstandswinkeln von einigen Dutzend Millibogensekunden, was in etwa der Größe einer Ein-Euro-Münze entspricht, betrachtet aus 100 km Entfernung.
„Bei unseren Beobachtungen fungieren die Gaia-Daten als eine Art Wegweiser“, fährt Thomas fort. „Der Teil des Himmels, den wir mit GRAVITY sehen können, ist sehr klein, daher müssen wir wissen, wo wir suchen müssen. Gaias beispiellos präzise Messungen der Bewegungen und Positionen von Sternen sind entscheidend, um unser Instrument in die richtige Richtung am Himmel zu lenken.“
Bisher wurden mehr als 5.000 Exoplaneten entdeckt, aber wie sehen sie aus? Die speziellen Exoplaneten-Missionen der ESA, Cheops, Plato und Ariel, sind auf der Suche nach dieser Frage. Cheops wird seine Suche auf Mini-Neptune konzentrieren, Planeten mit Größen zwischen der Erde und Neptun, die ihre Sterne auf kurzen Umlaufbahnen umkreisen. Cheops wird herausfinden, wie groß diese Planeten sind, und möglicherweise feststellen, ob die Planeten Wolken haben. Plato wird sich alle Arten von Exoplaneten ansehen und ihre Größe und ihr Alter bestimmen. Platos Instrumente sind so empfindlich, dass sie möglicherweise den ersten erdähnlichen Planeten auf einer erdähnlichen Umlaufbahn entdecken. Schließlich wird Ariel die Atmosphären von Exoplaneten mithilfe der Technik der Transmissionsspektroskopie untersuchen und herausfinden, woraus sie bestehen. Zusammen werden diese Missionen herausfinden, wie Exoplaneten und ihre Systeme aussehen, und sie werden auch enthüllen, wie besonders unser eigenes Sonnensystem ist. Bildnachweis: Europäische Weltraumorganisation
Dreamteam
Die Komplementarität von Gaia und GRAVITY geht über die Verwendung der Gaia-Daten zur Planung von Folgebeobachtungen und zur Ermöglichung von Entdeckungen hinaus. Durch die Kombination der beiden Datensätze konnten die Wissenschaftler die einzelnen Himmelsobjekte separat „wiegen“ und die Masse des Muttersterns und des jeweiligen Begleiters unterscheiden.
GRAVITY maß außerdem den Kontrast zwischen dem Begleitstern und seinem Mutterstern in einem Wellenlängenbereich im Infrarotbereich. Zusammen mit den Massenschätzungen ermöglichte dieses Wissen dem Team, das Alter der Begleiter zu bestimmen.
Überraschenderweise erwiesen sich zwei der Braunen Zwerge als weniger leuchtkräftig, als man angesichts ihrer Größe und ihres Alters erwarten würde. Eine mögliche Erklärung dafür könnte sein, dass die Zwerge selbst einen noch kleineren Begleiter haben.
Auf der Jagd nach Exoplaneten
Nachdem die Wissenschaftler die Leistungsfähigkeit des Gaia-GRAVITY-Ensembles demonstriert haben, freuen sie sich nun darauf, mögliche Planetenbegleiter der im Gaia-Katalog aufgeführten Sterne aufzuspüren.
„Die Fähigkeit, die winzigen Bewegungen nahe beieinander liegender Paare am Himmel herauszuarbeiten, ist einzigartig bei der Gaia-Mission. Der nächste Katalog, der als Teil der vierten Datenveröffentlichung (DR4) verfügbar gemacht wird, wird eine noch umfangreichere Sammlung von Sternen mit möglicherweise kleineren Begleitern enthalten“, bemerkt Johannes Sahlmann, ESA-Wissenschaftler für Gaia.
„Dieses Ergebnis betritt Neuland bei der Suche nach Planeten in unserer Galaxie und verspricht uns Einblicke in neue ferne Welten.“
Mehr Informationen:
TO Winterhalder et al, Kombination von Gaia und GRAVITY: Charakterisierung von fünf neuen direkt nachgewiesenen substellaren Begleitern, Astronomie & Astrophysik (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202450018. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.13055