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TRAPPIST-1
Die Umlaufzeit von TRAPPIST-1h
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
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23. Mai 2017

Innerhalb kürzester Zeit konnte ein internationales Astronomenteam aus Daten des Weltraumteleskops Kepler die Umlaufperiode des äußersten Planeten des Systems um den Stern TRAPIST-1 ableiten. Die Wissenschaftler nutzten für die Auswertung theoretische Überlegungen zum System und analysierten die Beobachtungen in Rekordzeit.

TRAPPIST-1h

So könnte der äußerste Planet TRAPPIST-1h des Planetensystems um den Stern TRAPPIST-1 aussehen. Bild: NASA/JPL-Caltech [Großansicht]

Frühere Beobachtungen von der Erde und aus dem All hatten gezeigt, dass der kühle Zwergstern TRAPPIST-1 von sieben erdähnlichen Planeten umkreist wird – eine größere Anzahl als in allen anderen vergleichbaren bisher bekannten Planetensystemen. Während Astrophysikerinnen und Astrophysiker die Umlaufzeiten der inneren sechs Planeten bestimmen konnten, blieb diejenige des äußersten Planeten unbekannt.

Nun hatte die NASA mit ihrem Kepler-Weltraumteleskop den Stern TRAPPIST-1 von Mitte Dezember bis Anfang März angepeilt. Mit ihrer Ankündigung, diese Daten zwei Monate eher als geplant öffentlich zugänglich zu machen, startete die NASA ein internationales "Rennen" unter Astronomen – weltweit wollten diese die ersten sein, welche die letzte, noch unbekannte Umlaufbahn der Planeten von TRAPPIST-1 bestimmen. Dies ist nun Wissenschaftlern des Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern mit einem internationalen Team gelungen.

Nur vier Tage nach dem Ende der Kepler-Beobachtungskampagne veröffentlichte die NASA die Daten. Die Astronomen in Bern hatten sich bereits mit Kollegen der Universität Washington und anderen Wissenschaftlern in den USA, Belgien, Frankreich, Großbritannien, Saudi-Arabien und Marokko zu einem Team zusammengeschlossen, um unmittelbar mit der Arbeit beginnen zu können.

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Simon Grimm, Wissenschaftler am CSH, hatte ein Verfahren vorbereitet, mit dem er die Daten automatisch herunterladen und verarbeiten konnte, sobald sie verfügbar waren, während Marko Sestovic, Doktorand am CSH, eine Pipeline für die Datenanalyse bereitstellte. Mit einem unabhängig davon entwickelten Computercode machte sich Rodrigo Luger, Doktorand in Seattle, an die gleiche Arbeit.

"Wir haben diese wissenschaftliche Herausforderung angenommen und wussten, dass wir schnell sein mussten", so Sestovic. "Wenn man nicht der erste ist, wird man nicht wahrgenommen," ergänzt Grimm. Sie hatten dabei ein besonderes Problem zu lösen: Normalerweise kalibriert die NASA die Daten des Kepler-Weltraumteleskops vor der Veröffentlichung in einer aufwändigen Prozedur, doch diesmal erhielten die Forschenden nur die Rohdaten. "Der Kepler-Satellit schwankt wegen eines technischen Problems von einer zur anderen Seite", erklärt Sestovic: "Dies verursacht starke Störsignale des Instruments und viel 'Rauschen', das entfernt werden muss. Die Störungen können fünfmal grösser sein als das eigentliche Signal."

Mit ihren Computercodes, die sich auf maschinelles Lernen stützen, konnten die Forscher in Bern und Seattle die Kepler-Daten in Rekordzeit kalibrieren, da sie Tag und Nacht arbeiteten. "Jede Stunde zählt, wenn man nicht überholt werden will", sagt CSH-Professor Brice-Olivier Demory.

Um die Umlaufzeit des äußersten Planeten, genannt TRAPPIST-1h, zu bestimmen, setzten die Astronomen auf die Theorie. Sie hatten bereits entdeckt, dass die Perioden der inneren Planeten aufgrund der Wechselwirkungen der Schwerkraft eine Verbindung aufweisen: Wenn beispielsweise Planet b den Stern achtmal umkreist, so macht Planet c fünf Umläufe und Planet d drei – ein so genanntes Resonanz-Phänomen. Ist Planet h ebenfalls in Resonanz mit seinen nächstgelegenen Planeten f und g, dann muss seine Umlaufzeit einen von mehreren, bestimmten Werten aufweisen, so die theoretische Überlegung.

Aufgrund der Analyse der früheren Daten konnten Demory sowie zwei seiner Kollegen in Seattle und Chicago alle möglichen Perioden ausschließen, bis nur eine übrig blieb: 18,764 Erdtage. Tatsächlich ergab sich genau dieses Resultat aus den Kepler-Daten. Umkreist also Planet h den Stern TRAPPIST-1 zweimal, so vollführt sein innerer Nachbar g drei Umläufe und Planet f deren vier.

"Die Tatsache, dass die Umlaufzeit von TRAPPIST-1h von der Theorie vorausgesagt wurde, bevor man sie in den Daten nachwies, erinnert daran, wie Neptun in unserem Sonnensystem vor mehr als 100 Jahren aufgespürt wurde", sagt CSH-Direktor Kevin Heng. Weil der Planet Uranus von seiner Bahn abwich, schlossen Astronomen, dass es weiter außen einen zusätzlichen Planeten geben musste, dessen Schwerkraft sich auf ihn auswirkte. Aufgrund der Bahnstörungen von Uranus berechneten sie die Position des bis dahin unbekannten Planeten – von Neptun.

Zusätzlich zur Umlaufzeit von TRAPPIST-1h fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Temperatur des Planeten 173 Kelvin oder minus 100 Grad Celsius beträgt und sein Radius etwas kleiner ist als der der Erde. Sie konnten zudem messen, dass sich der Zwergstern selbst in 3,3 Tagen einmal um seine Achse dreht, und schließen aufgrund der beobachteten Sternflecken und Eruptionen auf eine relativ niedrige Aktivität von TRAPPIST-1, was bedeutet, dass dieser älter ist als bisher angenommen.

Sobald die NASA die Daten freigegeben hatte, arbeiteten die Wissenschaftler über 60 Stunden lang fast ununterbrochen an deren Analyse und am Aufschreiben der Resultate. Das so in Rekordzeit eingereichte, 37-seitige Paper wird nun vom Wissenschaftsmagazin Nature Astronomy veröffentlicht. "Unsere Kollaboration von 30 Leuten tauschte in wenigen Tagen mehr als 450 Emails aus", fasst Demory zusammen: "Zu einem bestimmten Zeitpunkt überarbeiteten 15 Forschende gleichzeitig das Online-Manuskript – insgesamt eine schöne Erfahrung!"

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Ferne Welten - unsere Berichterstattung über die Suche nach extrasolaren Planeten und außerirdischem Leben
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