Weltraummissionen

Weltraumteleskope wie CoRoT, Kepler und PLATO verwenden die Transitmethode um nach Exoplaneten zu suchen. Warum bringt es so viele Vorteile, Weltraumteleskope für die Suche nach Exoplaneten einzusetzen?

Das Fehlen einer die Beobachtung störenden Atmosphäre und die Unabhängigkeit von Tageszeit und Wetter.

Abbildung 1:

Auch von der Erde aus wird mit Hilfe der Transitmethode nach Exoplaneten gesucht (z.B. TrES, OGLE, WASP, SuperWASP). Allerdings reicht bedingt durch die störende Atmosphäre die Auflösung nur aus, um große jupiterähnliche Gasriesen zu entdecken. Abbildung 1 a zeigt die mit der Periode von 2,47 Tagen phasengestapelte Lichtkurve des jupitergroßen Exoplaneten TrES-2b. Unten ist das Ergebnis der bodengestützten Beobachtung zu erkennen, durch welche der Planet entdeckt wurde. Der Transit mit einer Tiefe von 1% ist zu erkennen. Jedoch ist auch zu erkennen, dass die Auflösung nicht ausreicht den Transit eines erdähnlichen Planeten mit einem hundertstel dieser Tiefe zu erkennen.

In der oberen Abbildung ist der gleiche Transit dargestellt. Dieses Mal jedoch aufgezeichnet mit dem Weltraumteleskop Kepler. Das Rauschen ist hier bedingt durch die fehlende Atmosphäre um den Faktor 100 geringer. Diese Auflösung reicht aus um erdähnliche Planeten entdecken zu können. Die hohe Auflösung ist auch interessant um die Sterne zu studieren. Daher werden dieses Teleskope auch eingesetzt um Sternpulsationen, Sternflecken und Ausbrüche der verschiedenen Sterne zu studieren.

Zur Suche nach Exoplaneten werden ein oder mehrere Teleskope mit großem Öffnungswinkel eingesetzt. Von einer CCD Kamera werden im Optischen ( oder Nahinfrarot) große Sternfelder mit 10000-100000 Sternen gleichzeitig beobachtet. Unabhängig von Tag/Nacht Wende und Wetter werden Bilder in Sekunden bzw. Minutenabständen erzeugt. Aus diesen Bildern werden dann mit Hilfe von Masken die Lichtkurven der einzelnen Sterne erzeugt. In den Instituten werden diese Lichtkurven mit Computerhilfe gefiltert und nach Transits durchsucht. Die auf diese Weise gefundenen Planetenkandidaten werden dann gewöhnlich mit bodengestützten Teleskopen beobachtet, um den Planeten vollständig zu charakterisieren.
Zwei dedizierte Weltraumteleskope zur Suche nach extrasolaren Planeten wurden bisher gestartet (CoRoT und Kepler). Von der ersten Idee bis zum Start einer Weltraummission vergehen häufig 20 Jahre. CoRoT war als französische Mission der CNES zur seismischen Untersuchung von Sternen geplant. Nach der Entdeckung des ersten Exoplaneten 1995 wurde das Konzept unter Beteiligung der ESA und Instituten aus weiterer Staaten um die Suche nach extrasolaren Planeten erweitert. Somit hat Europa das erste Weltraumteleskop zur Suche nach extrasolaren Planeten gestartet. An der Mission waren drei deutsche Instituten beteiligt:

• DLR Berlin, Institut für Planetenforschung
• Thüringer Landessternwarte Tautenburg
• Rheinisches Institut für Umweltforschung, Abteilung Planetenforschung an der Universität zu Köln (RIU-PF)

Neben unzähligen Planeten wurde mit CoRoT der erste Gesteinsplanet (CoRoT-7b) entdeckt.
Drei Jahre später startete die NASA ihr erstes Weltraumteleskop Kepler zur Suche nach Exoplaneten.

Mit diesem deutlich größeren Teleskop wurden eine Vielzahl an Exoplaneten entdeckt. Auch das RIU-PF hat die mittlerweile öffentlich zugänglichen Daten verarbeitet, konnte den Großteil der Entdeckungen bestätigen und hat eine Vielzahl zusätzlicher Planeten entdeckt.

Durch den großen Erfolg dieser beiden Teleskope sind weitere Missionen für die Zukunft beschlossen worden.

• CHEOPS
  CHEOPS ist eine S-Klasse Mission (small) der ESA und soll 2017 gestartet werden. Mit Hilfe dieses Teleskops sollen hauptsächlich die Radien von Exoplaneten, die bereits mit der RV-Methode entdeckt worden sind bestimmt werden.
• TESS
  Der „Transiting Exoplanet Survey Satellite“ (TESS) ist eine neue NASA Mission dessen Start für 2017 vorgesehen ist. Mit vier auf dem Satelliten montierten Teleskopen sollen im Verlauf der Mission 500000 Sterne beobachtet werden. Im Gegensatz zur Kepler Mission kann die NASA dieses Mal hellere Sterne auswählen um eine bessere Charakterisierung der Transits und die Nachbeobachtung mit bodengestützten Teleskopen für alle Exoplanetenkandidaten zu ermöglichen.  Gleichzeitig soll TESS Ziele für das James Webb Space Teleskop (JWST) auswählen.
• JWST
  Das James Webb Space Teleskop der NASA (Start voraussichtlich 2018) ist der offizielle Nachfolger des Hubble Space Teleskops und wird mit einem 6,5m großen Hauptspiegel ausgerüstet sein. Das Teleskop soll im Nah- und Mid-infrarot beobachten und ist außerdem mit einem leistungsfähigen Spektrograph ausgestattet. Das Teleskop wurde unter der Leitung der NASA in Kooperation weitere Staaten wie auch der ESA entwickelt. Die Entwicklung und der Unterhalt dieses leistungsstärksten Teleskops wird voraussichtlich 8,8 Milliarden Dollar kosten (JWST Advisory Committee April 2014). Ein derartig leistungsstarkes Teleskop wird natürlich für viele verschiedene astrophysikalische Aufgaben eingesetzt. Ein Teil der verfügbaren Beobachtungszeit wird allerdings auch der Suche und Beobachtung von Exoplaneten gewidmet.
• PLATO
  PLATO („Planetary Transits and Oscillations of stars“) ist ein geplantes Weltraumteleskop der ESA zur Suche nach Exoplaneten, welches als M-Klasse Mission (medium) im Februar 2014 ausgewählt worden ist. Es steht unter der Leitung von Heike Rauer vom Institut für Planetenforschung des DLR Berlin. Auch das Rheinische Institut für Umweltforschung, Abteilung Planetenforschung ist an der Mission beteiligt.

Der Start von PLATO ist für 2022-2024 geplant.