Die Fähigkeit stärken, die Atmosphären von Exoplaneten zu scannen
Exoplaneten befinden sich außerhalb unseres Sonnensystems. Eine Methode zur Erforschung dieser fernen Planeten – darunter Gasriesen – ist die Messung der Zusammensetzung ihrer Atmosphäre. Aus dieser Zusammensetzung können viele grundlegende Eigenschaften von Exoplaneten abgeleitet werden, darunter die Entstehungsmechanismen und innere Struktur. Doch selbst die modernsten Bildgebungssysteme für Exoplaneten weisen eine sehr geringe spektrale Auflösung auf, sodass nur bedingt detaillierte Informationen zur Atmosphäre erfasst werden. „Mit Daten mit geringer spektraler Auflösung kann die Temperatur und Schwerkraft der Objekte bestimmt werden und anhand der großen Absorptionsbande können wir erkennen, welche Moleküle hauptsächlich vorkommen“, erklärt Arthur Vigan, Forscher für Astrophysik und Instrumentierung am Marseille Astrophysics Laboratory in Frankreich und Projektkoordinator von HiRISE. „Doch spezifische Größen wie das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis sind unmöglich zu messen. Mit diesem Wert könnten wir berechnen, wie und wo der Planet die Gas- und Staubschicht um den Urstern gebildet hat“, ergänzt Vigan. „Weitere Größen, die nicht gemessen werden können, sind die orbitale Bahngeschwindigkeit der Planeten und ihre Rotationsfrequenz. Auch diese sind für das Verständnis der Objekte und Planetensysteme von besonderem Interesse“, sagt er. Das HiRISE-Projekt wurde über den Europäischen Forschungsrat finanziert. Vigan und sein Team konzipierten einen neuen „Demonstrator“, in dem die Funktionen von zwei bestehenden Instrumenten im Very Large Telescope von ESO in Chile kombiniert werden. Durch die höhere spektrale Auflösung sollte es mit diesem Instrument möglich sein, die Entstehung, Zusammensetzung und Evolution junger Exoplaneten besser zu erforschen.
Kombination fortschrittlicher Instrumente, um Signale von Exoplaneten zu erfassen
In dem Demonstrator, HiRISE, wird die Exoplanetenkamera SPHERE mit dem hochauflösenden Spektrograph CRIRES kombiniert. Dabei werden die Signale eines bekannten Planeten von der Kamera mittels Lichtleitfasern an den Spektrographen übermittelt. „Das ist insofern innovativ, dass es vor HiRISE – und dem amerikanischen Pendant KPIC – nicht möglich schien, direkt mit diesen Instrumenten hochauflösende Spektroskopie durchzuführen“, berichtet Vigan. Bei der Entwicklung des Demonstrators begann das Team mit durchgehenden Simulationen, um die Machbarkeit einzuschätzen, und gestaltete gleichzeitig ein optomechanisches Bauteil für das Instrument. „Die Schwierigkeit lag darin, dass für unser Instrument neue Module in SPHERE und CRIRES erforderlich waren und wir 80 Meter Glasfaser um das Teleskop verlegen mussten“, sagt Vigan. Nachdem das Design feststand, hat das Team es im Labor in Marseille aufgebaut und getestet. Im Juni 2023 wurde es im Very Large Telescope installiert, noch im gleichen Monat folgten die ersten praktischen Tests.
Ein erfolgreiches fremdes Instrument
„Das Projekt war ein voller Erfolg“, meint Vigan. „Ein neues Instrument wie HiRISE mit unseren begrenzten Ressourcen am Very Large Telescope erfolgreich zu installieren ist eine herausragende Leistung.“ Das HiRISE ist das erste anlagenfremde Instrument am Very Large Telescope seit 15 Jahren. Es wird bis mindestens 2027 dort verbleiben.
Zum besseren Verständnis der Atmosphäre neuer Exoplaneten
Bei den praktischen Tests zeigte sich die ausgezeichnete Leistung. Das Team hat jetzt die Phase der wissenschaftlichen Nutzung eingeleitet. Im November 2023 begann das HiRISE-Team eine neue Untersuchung, um die Zusammensetzung und die Umlaufbahnen der Exoplaneten zu erforschen und nach Exomonden zu suchen. „Wir haben bereits fünf Exoplaneten beobachtet und warten auf spannende Ergebnisse“, sagt Vigan. „Für 2024 haben wir zusätzliche Nächte geplant. Hoffentlich kommen in den nächsten Jahren viele Ergebnisse auf.“
Schlüsselbegriffe
HiRISE, Exoplaneten, Atmosphäre, Zusammensetzung, Instrument, Signale, Very Large Telescope
