Dr. Gerold Holtkamp, 25.9.2022

Using the star HD189733 and its exoplanet 189733b, it is shown that even with a relatively small instrument from an urban light-polluted area, interesting meaningful measurements of stellar rotation and planetary transit in front of its parent star can be carried out. In addition, the synopsis of the results of many amateur astronomers worldwide enables further insights.

Ausgangslage

Der Stern HD189733 – auch V452 Vul – hat die Spektralklasse K2V und ist 64 Lichtjahre von der Erde entfernt. Er hat eine scheinbare Helligkeit von 7,67 mag (V-Johnson) und scheint im Sternbild Fuchs (Vulpecula) direkt neben dem Hantelnebel (NGC 6853) zu stehen, der allerdings von uns 1280 Lichtjahre entfernt ist. HD189733 hat eine Oberflächentemperatur von ca. 5050 Kelvin. Damit ist er in etwa so heiß wie unsere Sonne. Er hat den 0,78-fachen Durchmesser und die 0,82-fache Masse unserer Sonne. Es gibt einen stellaren Begleiter, der allerdings nur 3200 Kelvin heiß ist, den 0,22-fachen Durchmesser und die 0,2-fache Masse unserer Sonne hat [1].

(Beschriftung bei Mouseover)

HD189733 wird von mindestens einem Planeten umkreist. Von diesem Exoplaneten, HD189733b, ist bereits Einiges bekannt. Er gilt als der zurzeit am besten untersuchte Exoplanet. Dies ist vor allen Dingen darauf zurückzuführen, dass er einerseits Transits vor seinem Mutterstern durchführt und andererseits sein Mutterstern für uns auf der Erde relativ hell erscheint, was spektroskopische Untersuchungen erleichtert. Er ist ein sog. heißer Jupiter mit einer Oberflächentemperatur von etwa 1209 Kelvin, dem 1,13-fachen Durchmesser und einer 1,13-fachen Masse von Jupiter. Er umrundet seinen Mutterstern mit einer Periode von 2,2 Tagen in einer Entfernung von 4,78 Mio. km (gr. Halbachse) [1]. In seiner Atmosphäre wurde bereits Wasser nachgewiesen, wenn auch nur in gasförmigem Zustand, was bei den herrschenden Temperaturen allerdings kein Wunder ist [2].

Vorhaben

Am 5.7.2022 rief die AAVSO (American Association of Variable Star Observers) mit ihrer sog. Alert Notice 785 zur Beobachtung des Sterns HD 189733  für den Zeitraum Juli bis August 2022 auf [3]. Die Amateurastronomen weltweit wurden darin aufgefordert, eine zu der Zeit laufende Beobachtungskampagne des HST/WFC3 (Hubble Space Telescope / Wide Field Camera) zu unterstützen [4]. Bei dieser Kampagne soll die Atmosphäre des Exoplaneten HD189733b spektroskopisch untersucht werden. Hierfür misst man Veränderungen im Spektrum des Muttersterns HD189733, wenn der Exoplanet für das HST vor dem Stern herzieht. Man verspricht sich von den begleitenden Messungen der Sternhelligkeit von HD189733 Aussagen darüber, ob bzw. wie stark die Variabilität der Sternhelligkeit Einfluss auf die von HST/WFC3 durchgeführten Untersuchungen der Atmosphäre des Exoplaneten hat. Außerdem waren die Amateurastronomen aufgefordert, mögliche Transits des Exoplaneten HD189733b vor seinem Mutterstern zu beobachten, um u.a. die Transitdauer genauer festzulegen.

HD189733 ist ein mäßig aktiver Zwergstern, so dass man Änderungen in der Helligkeit neben einem möglichen Transit seines Planeten HD189733b auf das Vorhandensein von größeren Sternflecken zurückführt [5]. Da die durch die Rotation des Sterns – zusammen mit den Sternflecken – verursachte Veränderung der Helligkeit eine Periode in der Größenordnung von 12 Tagen aufweist, sollte ein Transit seines Planeten mit einer Dauer von unter zwei Stunden sicher erkannt werden können, obwohl beide „Verdunkelungen“ nur in einem Bereich von 0,02 bis 0,03 mag liegen.

Durchführung

Die vorliegenden Helligkeitsmessungen wurden im Zeitraum 23.7. bis 3.9.2022 durchgeführt. Zum Einsatz kam ein apochromatisches Teleskop der Marke Skywatcher mit 80 mm Öffnung und 600 mm Brennweite auf einer Montierung AZ EQ6 Pro. Als Kamera wurde eine QHY268M verwendet mit einem G-Filter der Marke Antlia, dessen Transmissionskurve in etwa der des Johnson V-Filters entspricht. Die Beobachtung des Transits am 9.8.2022 wurde mit einem L-Filter ebenfalls der Marke Antlia durchgeführt. Der Beobachtungsort lag in der Regel im Stadtgebiet von Osnabrück. Lediglich die Messungen am 23., 24., 25. und 28.8.2022 wurden in Gülpe im Westhavelland – einer wenig lichtverschmutzten, ländlichen Region – durchgeführt.

Helligkeitsmessungen zur Bestimmung der Sternrotation

Insgesamt wurden in 26 Nächten Messungen durchgeführt. Keiner der Messzeitpunkte fiel mit einem Transit des Exoplaneten zusammen. Auch die Helligkeitsmessung am 9.8.2022 um 20:44 UTC lag deutlich vor dem Transitbeginn um 22:17 UTC. Fehlende Nächte sind durch bewölkten Himmel bedingt.
Es wurden für jeden Messpunkt jeweils 20 Aufnahmen erstellt. Mit der Software Muniwin wurden diese ausgewertet, indem die Helligkeit (G-Band) des Sterns HD 189733 in Bezug zum Vergleichs-Stern HD 345464 (Comp-Star) bestimmt wurde. Der sog. Check-Star war HD 189657. Aus den sich ergebenden 20 Helligkeiten wurde der Mittelwert und die empirische Standardabweichung berechnet. Die ermittelten Werte wurden in die AAVSO-Datenbank hochgeladen und können für sich oder auch zusammen mit den Messwerten anderer Astronomen als Lichtkurve abgerufen werden. [6] Die Messwerte können auch als csv-Datei heruntergeladen werden [7].

Die Helligkeitswerte für die G- und die V-Band-Messungen liegen wie erwartet im gleichen Bereich. Bei den G-Band-Werten wurde insgesamt in 28 Nächten gemessen,  davon in zwei Nächten von anderen Autoren, deren Ergebnisse stark abweichen.

Die abweichende Messung am 17.7.2022 wurde mit einer CCD-Kamera erstellt. Die stark von den eigenen Messungen abweichende und streuende Messpunktserie am 21.7.2022 wurde mit einer Canon 1100D erstellt. Da die in DSLR-Kameras verwendeten G-Filter herstellerspezifisch sind, ist die Abweichung zu den eigenen Werten erklärlich. Die starke Streuung kann von der nicht vorhandenen Kühlung herrühren.

Die V-Band-Messungen streuen auch stark, allerdings nur bei 5 von 16 Autoren. Die Gründe hierfür sind aus den für die Messpunkte mitgelieferten Daten nicht ersichtlich. Die erwartete periodische Helligkeitsschwankung ist aber auch aus den konsistenteren  Daten der 11 Autoren nicht oder nur bedingt ablesbar. Die Werte sind in ihrer Gesamtheit zu stark variierend.

Der Ausschnitt der eigenen Messergebnisse aus dem AAVSO-Diagramm lässt dagegen ein periodisches Verhalten erkennen, wobei allerdings der erste Messpunkt leider als Ausreißer zu betrachten ist. Aber auch bei diesen eigenen Messungen ist die genaue Bestimmung einer Periode schwierig. Zum einen ist die Anzahl der Messpunkte zu gering, zum anderen können vermutlich Veränderungen auf der Sternoberfläche abweichende Messungen von einer gleichmäßigen Periode hervorrufen.

Helligkeitsmessungen zur Bestimmung des Planetentransits

Am 9.8.2022 wurden von 21:51 UTC bis 0:48 UTC am 10.8.2022 insgesamt 322 Aufnahmen mit je 4 s Belichtungszeit erstellt; außerdem jeweils 20 Darks und Flats. Die Auswertung erfolgte wieder mit der Software Muniwin. Vergleichsstern (L-Band) war wieder HD 345464 (Comp-Star). Der sog. Check-Star war HD 189657.

Die ermittelten Werte wurden sowohl in die AAVSO-Datenbank als auch in die Exoplanet Transit Database (ETD) [8] hochgeladen, wo sie als Lichtkurve einschließlich einer gerechneten Ausgleichskurve und als csv-Datei abgerufen werden können.[9]

Trotz relativ starker Streuung der Messpunkte ist deutlich zu erkennen, wie der Planet HD189733b das Licht seines Muttersterns während des Transits abdunkelt. In der ETD-Datenbank werden vorteilhafterweise verschiedene Werte angegeben, die aus den Messungen ermittelt wurden:

Mitte des Transits: 2022-08-09 23:12:55 UTC
Dauer des Transits: 101.4 +/- 5.1 min
Tiefe der Helligkeitsabsenkung: 0.0325 +/- 0.0025 mag

Daraus abgeleitete Parameter von HD189733b:

	ETD Wert	Eigener Wert
Radius Planet Rp:	1.138 +/- 0.027 RJup	1.321 -0.051+0.049 RJup
Radius Stern R*:	0.788 +/- 0.051 RSun	fixed, errors included in i
Große Halbachse A:	0.03099 +/- 0.00063 AU	fixed, errors included in i
Umlaufperiode Per:	2.2185733 days	fixed
Neigung der Bahnebene i :	85.76 +/- 0.29 °	84.45 -0.34|1.16+0.38|1.34 °

Der ermittelte Radius des Planeten ist im Vergleich zum ETD-Wert auch unter Ausnutzung der Fehlertoleranzen um etwa 9% zu groß. Dagegen liegt die gemessene Neigung der Bahnebene innerhalb der maximalen Fehlertoleranzen im Vergleich zum angegebenen ETD-Wert.

Interessant ist auch die Zusammenschau aller für HD189733b in ETD zusammengeführten Daten. Die Dauer des Transits wächst vom Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 2005 an, um etwa ab 2013 wieder zu fallen. Diese Veränderungen sind nicht zufällig oder in Messfehlern begründet, sondern müssen einen realen Grund haben, der noch zu klären ist.

Outlook

Die beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass auch aus städtischem Gebiet sinnvolle Beobachtungen möglich sind. Die Rotation des Sterns HD189733 ist in den Messwerten klar zu erkennen, die Rotationsperiode ist aber nicht genau genug zu bestimmen.

Der Nachweis des Exoplaneten HD189733b konnte sicher geführt werden. Die Transitmessung lieferte Ergebnisse „im Mittelfeld“ der in der ETD aufgeführten Messungen. Man sollte sich dabei bewusst sein, dass der erste Exoplanet erst 1989 sicher nachgewiesen werden konnte. Heute geht das offensichtlich mit „Amateurmitteln“.

Die beschriebenen Mängel in den Messungen rühren augenscheinlich eher vom Wetter (zu wenig Beobachtungsnächte hintereinander), vom jeweiligen Seeing (unterschiedlich große Fehler) und von der relativ kleinen Teleskopöffnung her. Im nächsten Sommer, wenn HD189733 aus der eigenen Position gut zu beobachten ist, könnte ein neuer Versuch mit verbessertem Aufbau unternommen werden.

Inwieweit die Ergebnisse Verwendung in der o.g. HST/WFC3-Messkampagne finden, ist bei Abschluss dieses Berichts noch nicht klar.

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[1] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/overview/HD189733%20b
[2] http://www.esa.int/esaCP/SEMBDZI2O3F_index_0.html
[3] https://www.aavso.org/v452-vul-exoplanet-host-monitoring-campaign-2022-01
[4] https://www.nasa.gov/content/hubble-space-telescope-wide-field-camera-3
[5] Gregory W. Henry, Joshua N. Winn, Astron.J.135:68-71, 2008
[6] https://www.aavso.org/LCGv2/
[7] Die Messwerte kann man bei AAVSO unter https://www.aavso.org/data-download herunterladen: Observer Code ist HGEA, Sternbezeichnung ist V452 Vul
[8] http://var2.astro.cz/ETD/predictions.php
[9] http://var2.astro.cz/ETD/etd.php?STARNAME=HD189733&PLANET=b