NEID-Spektrometer beleuchtet Weg zur Exoplaneten-Erkundung

Während die NASA ihre Suche nach Exoplaneten – Planeten jenseits unseres Sonnensystems – ausweitet, erweitert sie auch ihre Werkzeugkiste. Im Laufe des Sommers lieferte ein neues Tool namens NEID (ausgesprochen NOO-id) seine ersten Daten über den nächstgelegenen und am besten untersuchten Stern, unsere Sonne.

Das NEID-Spektrometer, das dabei helfen wird, neue Welten zu lokalisieren und zu charakterisieren, beobachtet den Himmel vom Kitt Peak National Observatory in Arizona. Es begann seine ernsthafte Suche nach Exoplaneten im Juni 2021. NEID wird jedoch tagsüber fast so viele Daten von der Sonne sammeln wie nachts von den Sternen. Das liegt daran, dass die Sonne den Astronomen ihren detailliertesten Einblick in die Art von Veränderungen bietet, die auf den Wirtssternen von Exoplaneten auftreten, Veränderungen, die sich auf die Entdeckung und Bewohnbarkeit dieser fremden Welten auswirken können.

Ein Team des Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, MD, unterstützte NEID bei Design, Entwicklung und Inbetriebnahme. Das Instrument misst die Radialgeschwindigkeit:die Verschiebung der Bewegung eines Sterns, die durch die Schwerkraft seiner Planeten verursacht wird. Diese Bewegung verändert das Licht des Sterns leicht. Radialgeschwindigkeiten geben Astronomen ein Maß für die Masse eines Planeten relativ zu seinem Mutterstern.

„Was für diese Planeten wirklich entscheidend ist, ist die Kenntnis ihrer Massen“, sagte Michael McElwain, ein Instrumentenwissenschaftler des NEID-Entwicklungsteams. „Wenn man Größe und Masse kennt, liefert das zwei fundamentale Parameter für diese Exoplaneten.“

Derzeit ist die Transittechnik die Hauptmethode, mit der Wissenschaftler Exoplaneten entdecken und ihre relative Größe messen. Wissenschaftler können einen Exoplaneten entdecken, indem sie nach periodischen Veränderungen im Licht naher Sterne suchen, die auftreten, wenn ein umlaufender Planet aus unserer Sicht das Antlitz des Sterns kreuzt.

Das Kepler Space Telescope und der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA haben bereits Tausende von Exoplaneten mithilfe der Transittechnik identifiziert. NEID wird auf TESS-Daten aufbauen, indem es die Radialgeschwindigkeiten von TESS-entdeckten Planeten misst.

Zusammen können diese Größen- und Massenmessungen verwendet werden, um die Schüttdichte eines Planeten zu bestimmen, was Wissenschaftlern einen Einblick in die Gesamtzusammensetzung des Planeten gibt. Ein besonders dichter Planet könnte zum Beispiel eine felsige Zusammensetzung haben. Wissenschaftler werden diese Informationen verwenden, um zu bestimmen, welche Planeten am besten für zusätzliche Untersuchungen durch das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA geeignet sind.

Das Spektrometer wird am 3,5-Meter-Teleskop WIYN am Kitt Peak betrieben und gehört zu einer neuen Klasse von Radialgeschwindigkeitsinstrumenten, die eine etwa dreimal höhere Genauigkeit als je zuvor erreichen können. Das Teleskop richtet sich auf einen Stern, sammelt dessen Licht und speist es durch eine optische Faser, die es in den Spektrographen leitet, der in einem speziell gebauten, thermisch isolierten Reinraum im Erdgeschoss des Observatoriums untergebracht ist.

„Ein Spektrograph zerlegt auf seiner grundlegendsten Ebene Licht in seine verschiedenen Farben oder was wir Wellenlängen nennen“, sagte Sarah Logsdon, Instrumentenwissenschaftlerin bei NEID. „Das ist für uns sehr nützlich, weil einzelne Atome und Moleküle bei ganz bestimmten Wellenlängen unterschiedliche Emission oder Absorption haben. Mit NEID können wir messen, wie stark sich diese Absorptions- und Emissionslinien relativ zu ihrer Ruheposition verschieben, wenn ein Planet an seinem Stern zieht.“ Die Größe dieser Verschiebung ermöglicht es Astronomen, die Masse des Planeten im Verhältnis zur Masse seines Sterns zu bestimmen.

Eine potenzielle Herausforderung für die Beobachtungen von NEID besteht darin, dass sich die Sterne selbst verändern können. Heißes Plasma sprudelt aus ihrem Inneren, kühlt ab und fällt zurück, während die gesamte Oberfläche in seismischen Schwingungen erzittert. Globale und lokale Magnetfelder erzeugen dunklere, kühlere Sternflecken und andere sichtbare Merkmale. All diese Aktivitäten machen es schwierig, zwischen stellarer Aktivität und den Auswirkungen von Exoplaneten zu unterscheiden.

Die Sonne dient jedoch als Basis, um die Aktivität der Sterne besser zu verstehen. Zusätzlich zum Licht des WIYN-Teleskops wird NEID auch Licht von einem Sonnenteleskop empfangen, das auf dem Dach des Observatoriums montiert ist. Im Laufe der Zeit werden diese Sonnendaten den Wissenschaftlern helfen, ähnliche Ereignisse bei ihren Beobachtungen von weiter entfernten Sternen zu identifizieren. Nachdem sie verarbeitet wurden, um Astronomen bei der Erforschung der Frage der Sternaktivität zu helfen, werden alle Daten des Sonnenteleskops veröffentlicht.

„Die Sonne weist den Weg“, sagte Suvrath Mahadevan, Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State University und Hauptforscher von NEID. „Jahrzehntelang war das legendäre und inzwischen stillgelegte McMath-Pierce-Teleskop am Kitt Peak die wichtigste Einrichtung zur Erforschung der Sonne. NEID ist jetzt die Brücke, die die Wissenschaft von Exoplaneten mit Sonnenbeobachtungen verbindet, die Sonne mit den Sternen und eine Brücke, die die Geschichte von Kitt Peak mit seiner Gegenwart und Zukunft verbindet.“

Das Team kündigte die Erstlichtbeobachtungen von NEID im Januar 2020 an. NEID beobachtete 51 Pegasi, den ersten sonnenähnlichen Stern, der einen Exoplaneten beherbergt. NEID steht nun der wissenschaftlichen Gemeinschaft über sein Gastbeobachtungsprogramm zur Verfügung.