Extrasolare Planeten: SPHERE auf der Jagd nach Exoplaneten

Die Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems und die Beantwortung der Fragen nach ihrer Entstehung und ihrer möglicherweise erdähnlichen Natur zählen zu den spannendsten Herausforderungen der modernen Astrophysik. Fast alle der mehr als 1000 bisher entdeckten Exoplaneten wurden jedoch nur indirekt nachgewiesen – direkte Bilder waren Mangelware. Mit SPHERE steht den Astronomen nun aber ein außergewöhnliches High-Tech-Instrument zur Verfügung, mit dem sich gezielt Aufnahmen von Exoplaneten und Staubscheiben neu entstehender Planetensysteme gewinnen lassen. Erste Bilder von SPHERE am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile demonstrieren die enorme Leistungsfähigkeit des Instruments, das von zwölf Partnern entwickelt wurde – darunter auch das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg.

Der Staubring um den Stern HR 4796A (aufnahme mit SPHERE) — © ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium / SPHERE erstellt Aufnahme vom Staubring um den Stern HR 4796A / CC BY 4.0 CC BY (Ausschnitt)

Der direkte Bildnachweis von extrasolaren Planeten und die wissenschaftliche Untersuchung neu entstehender Planetensysteme in Staubscheiben um andere Sterne zählen zu den größten Herausforderungen der beobachtenden Astronomie. Zum einen sind die Winkelabstände solcher Planeten von ihrem Mutterstern wegen ihrer großen Entfernung von uns extrem klein. Bereits in einer nach kosmischen Maßstäben geringen Entfernung von nur etwa 30 Lichtjahren (rund 300 Billionen Kilometer) hätten ein Stern und ein Planet wie Sonne und Erde einen Winkelabstand von nur einer Zehntel Bogensekunde.

Der Staubring um den Stern HR 4796A | Diese Infrarotaufnahme des Staubrings um den nahen Stern HR 4796A im südlichen Sternbild Zentaur ist eine der ersten Aufnahmen mit dem Instrument SPHERE und das mit Abstand beste Bild dieses Objekts seit seiner Entdeckung. Es zeigt die herausragende Eigenschaft von SPHERE, das alles überstrahlende Licht des Sterns in der Bildmitte zu unterdrücken.

Beide Himmelskörper als Einzelobjekte abzubilden entspricht der Aufgabe, zwei direkt nebeneinander platzierte Euromünzen aus einer Entfernung von etwa 40 Kilometern als Einzelmünzen auf einem Foto sichtbar zu machen. Doch die weit größere Herausforderung ist, diese Aufgabe sogar zu lösen, obwohl der Helligkeitskontrast zwischen beiden Objekten in die Millionen geht – das heißt man müsste in unserem Vergleich die beiden Münzen jeweils durch einen Flutlichtscheinwerfer und ein Glühwürmchen ersetzen.

Vor einigen Tagen wurden mit SPHERE, dem Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research am VLT der ESO auf dem Paranal-Observatorium in Chile die ersten Testbeobachtungen in den verschiedenen Betriebsmodi des Instruments durchgeführt. So gelang unter anderem auf Anhieb eine ausgezeichnete Aufnahme vom Staubring um den nahen Stern HR 4796A. Die außergewöhnliche Klarheit des Rings illustriert auch, wie gut SPHERE das Leuchten des hellen Sterns in der Bildmitte unterdrücken kann.

Der Saturnmond Titan im Blick von SPHERE | Auch Objekte in unserem Sonnensystem lassen sich mit SPHERE beobachten. Dieses Bild des größten Saturnmonds Titan ist eine der ersten Aufnahmen, die mit dem SPHERE-Instrument erstellt wurden. Sie zeigt, wie effektiv das System für adaptive Optik Details auf dieser mit nur einer Bogensekunde Durchmesser winzigen Scheibe erkennen lässt. Dieses Bild wurde mit SPHERE im Infraroten bei einer Wellenlänge von 1,59 Mikrometern aufgenommen.

Markus Feldt vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und Co-Projektleiter von SPHERE ist begeistert: "Bei einem derart komplizierten Zusammenspiel verschiedener Techniken müssen instrumentelle Artefakte mit höchster Sorgfalt herauskalibriert werden. Es ist umwerfend zu sehen, dass unser doch recht komplexer Satz an Hard- und Softwarewerkzeugen gleich beim ersten Versuch nahezu fehlerfrei funktioniert hat!"

Der lichtschwache Begleiter des Sterns Iota Sagittarii im Sternbild Schütze | SPHERE beobachtete den Stern Iota Sagittarii im Sternbild Schütze im Durchmusterungsmodus, also zeitgleich im nahen Infrarot mit der abbildenden Kamera links und mit dem Integralfeldspektrografen rechts. Dabei wurde ein besonders massearmer Begleitstern in einem Winkelabstand von nur 0,24 Bogensekunden entdeckt, der mehr als 4000 mal schwächer als der Hauptstern ist. Der helle Stern selber wurde von SPHERE fast komplett abgedunkelt, so dass der Begleiter als deutlich erkennbarer heller Punkt rechts oberhalb der Bildmitte sichtbar wird.

Das Instrument, das mit seinen drei Haupmessinstrumenten Polarimeter, Kamera und Feldspektrograf im Infrarotlicht arbeitet, vereint mehrere technische Verfahren, um den höchstmöglichen Kontrast bei der direkten Beobachtung von Exoplaneten und Staubscheiben um andere Sterne zu erzielen. Um so die Überstrahlung dieser leuchtschwachen Objekte in unmittelbarer Nähe des blendend hellen Sterns zu überwinden, kommt ein "Extremes adaptives Optiksystem" zum Einsatz. Mit ihm können in Echtzeit die auflösungsmindernden Turbulenzen der Erdatmosphäre wie zum Beispiel das Sternfunkeln korrigiert werden. Hinzu kommt ein Ensemble von Koronografen, mit denen das Licht des hellen Muttersterns abgeblendet wird. Schließlich wird noch eine als "Differenzielle Bildgebung" bezeichnete Methode verwendet, um besonders schwache reale Strukturen, beispielsweise einen Exoplaneten, von restlichen Streulichteffekten besser zu trennen.

SPHERE könnte die Erforschung von Exoplaneten und zirkumstellaren Scheiben revolutionieren. "Entscheidend für ein besseres Verständnis der Entstehung, Dynamik und Entwicklung von Planetensystemen ist, genau zu bestimmen, welche Massen bei Planeten vorkommen können, wie sich die Abstände von Planeten um ihren Mutterstern verteilen und mit der Zeit verändern, und welche Eigenschaften die Umlaufbahnen von Planeten haben", so Thomas Henning, Direktor am MPIA und Co-Investigator von SPHERE.

Hier treffen Modellrechnungen konkrete Vorhersagen, die anhand von direkten Beobachtungen überprüft werden können – beispielweise über bevorzugte Abstände von ihrem Mutterstern, bei denen jupiterähnliche Gasplaneten gehäuft entstehen sollten. Und so sollen mit SPHERE unter anderem große Gasriesen auf Umlaufbahnen um nahegelegene Sterne durch direkte Abbildung entdeckt und charakterisiert werden.

MPIA / Red.