NEID-Spektrometer beschleunigt die Suche nach Exoplaneten

Da die NASA ihre Suche nach Exoplaneten – Planeten jenseits unseres Sonnensystems – ausweitet, erweitert sie auch ihren Werkzeugkasten. Über den Sommer lieferte ein neues Werkzeug namens NEID (ausgesprochen NOO-id) seinen ersten Datensatz über den nächsten und am besten untersuchten Stern, unsere Sonne.

Das NEID-Spektrometer, das helfen wird, neue Welten zu lokalisieren und zu charakterisieren, beobachtet den Himmel vom Kitt Peak National Observatory in Arizona. Es begann im Juni 2021 ernsthaft mit der Suche nach Exoplaneten. NEID wird jedoch fast genauso viele Daten von der Sonne tagsüber sammeln wie von den Sternen nachts. Das liegt daran, dass die Sonne Astronomen ihren detailliertesten Blick auf die Arten von Veränderungen bietet, die auf den Wirtssternen von Exoplaneten auftreten – Veränderungen, die die Detektion und Bewohnbarkeit dieser fremden Welten beeinflussen können.

Ein Team am NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD, unterstützte NEIDs Design, Entwicklung und Inbetriebnahme. Das Instrument misst Radialgeschwindigkeit: die Verschiebung in der Bewegung eines Sterns, verursacht durch die gravitative Anziehung seiner Planeten. Diese Bewegung verändert das Licht des Sterns leicht. Radialgeschwindigkeiten geben Astronomen eine Messung der Masse eines Planeten relativ zu seinem Wirtsstern.

„Was wirklich kritisch für diese Planeten ist, ist ihre Masse zu kennen“, sagte Michael McElwain, Instrumentenwissenschaftler im NEID-Entwicklungsteam. „Wenn man Größe und Masse kennt, liefert das zwei fundamentale Parameter für diese Exoplaneten.“

Derzeit ist die Transitmethode der Hauptweg, wie Wissenschaftler Exoplaneten entdecken und ihre relativen Größen messen. Wissenschaftler können einen Exoplaneten detektieren, indem sie nach periodischen Änderungen im Licht naher Sterne suchen, die auftreten, wenn ein umlaufender Planet aus unserer Sicht die Sternscheibe kreuzt.

NASAs Kepler-Weltraumteleskop und der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) haben bereits Tausende von Exoplaneten mit der Transitmethode 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 mittlere Dichte eines Planeten zu bestimmen, was Wissenschaftlern Einblick in die Gesamtzusammensetzung des Planeten gibt. Ein besonders dichter Planet könnte beispielsweise eine felsige Zusammensetzung haben. Wissenschaftler werden diese Informationen nutzen, um zu bestimmen, welche Planeten am besten für zusätzliche Studien durch NASAs James-Webb-Weltraumteleskop geeignet sind.

Das Spektrometer arbeitet am WIYN 3,5-Meter-Teleskop auf Kitt Peak und gehört zu einer neuen Klasse von Radialgeschwindigkeitsinstrumenten, die eine etwa dreimal bessere Präzision erreichen als je zuvor möglich. Das Teleskop richtet sich auf einen Stern, sammelt dessen Licht und leitet es durch eine Lichtwelle, die es in das Spektrograph führt, das in einem speziell gebauten, thermisch isolierten Reinraum im Erdgeschoss des Observatoriums untergebracht ist.

„Ein Spektrograph spaltet auf seiner grundlegendsten Ebene Licht in seine verschiedenen Farben auf, oder was wir Wellenlängen nennen“, sagte Sarah Logsdon, Instrumentenwissenschaftlerin für NEID. „Das ist wirklich nützlich für uns, weil einzelne Atome und Moleküle an sehr spezifischen Wellenlängen unterschiedliche Emissionen oder Absorptionen 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 relativ zur Masse seines Sterns zu bestimmen.

Eine potenzielle Herausforderung für NEIDs Beobachtungen ist, dass die Sterne selbst sich verändern können. Heißes Plasma blubbert aus ihrem Inneren auf, kühlt ab und fällt zurück, während die gesamte Oberfläche mit seismischen Oszillationen bebt. Globale und lokale Magnetfelder erzeugen dunklere, kühlere Sternflecken und andere sichtbare Merkmale. Diese Aktivität macht es schwierig, zwischen stellarer Aktivität und den Auswirkungen von Exoplaneten zu unterscheiden.

Die Sonne dient jedoch als Baseline, um stellare Aktivität besser zu verstehen. Neben der Lichtentnahme vom WIYN-Teleskop wird NEID auch Licht von einem Sonnenteleskop empfangen, das auf dem Dach des Observatoriums montiert ist. Im Laufe der Zeit werden diese Solardaten Wissenschaftlern helfen, ähnliche Ereignisse in ihren Beobachtungen entfernterer Sterne zu identifizieren. Nach der Verarbeitung zur Unterstützung von Astronomen, die das Problem der stellaren Aktivität erforschen, werden alle Daten vom Sonnenteleskop öffentlich zugänglich gemacht.

„Die Sonne weist den Weg“, sagte Suvrath Mahadevan, Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State University und Hauptforscher von NEID. „Jahrzehntelang war der ikonische und nun stillgelegte McMath-Pierce-Teleskop auf Kitt Peak die führende Einrichtung für die Sonnenforschung. NEID ist nun die Brücke, die Exoplanetenwissenschaft mit Sonnenbeobachtungen verbindet, die Sonne mit den Sternen und eine Brücke, die Kitt Peaks Geschichte mit seiner Gegenwart und Zukunft verbindet.“

Das Team kündigte NEIDs First-Light-Beobachtungen im Januar 2020 an. NEID beobachtete 51 Pegasi, den ersten sonnenähnlichen Stern, von dem bekannt wurde, dass er einen Exoplaneten beherbergt. NEID steht nun der wissenschaftlichen Gemeinschaft über sein Gastbeobachterprogramm zur Verfügung.