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Messung der Transitkurve des Exoplaneten TrES-3 b am 27.5.2023

Dr. Gerold Holtkamp, 24. Juni 2023


Die Transitlichtkurve des Exoplaneten TrES-3 b wurde am 27./28. Mai 2023 gemessen. Die angewendete Methode und die spezifischen Beobachtungsbedingungen werden erläutert. Die Ergebnisse werden vorgestellt und anhand einer Auswertung in der internationalen Datenbank Exoplanet Transit Database (ETD) diskutiert. Das eigene Ergebnis ist ein Beitrag im Rahmen der sog. Citizen Science zur weiteren Erkundung von Exoplaneten.


Die Transitmethode zum Nachweis von Exoplaneten

Vor weniger als 500 Jahren wurde Giordano Bruno von der katholischen Kirche für seine Behauptungen verbrannt, dass es sehr wohl andere Welten mit anderen intelligenten Lebewesen gebe als nur die Erde. Heute – allerdings erst seit etwas mehr als 30 Jahren – kann man den Nachweis führen, dass auch andere Sterne Planeten besitzen.


Es gibt hierfür verschiedene Methoden. Die wichtigste und auch für Amateure zugängliche ist die sog. Transitmethode. Hierbei nutzt man aus, dass bei bestimmten Konstellationen ein Planet für uns Beobachter auf der Erde vor seinem Mutterstern vorbeizieht. Es entsteht also eine Art partielle Sternfinsternis, wodurch das Licht des Muttersterns abgeschwächt wird, allerdings nur sehr wenig. Die Abschwächung ist abhängig von der relativen Größe des Exoplaneten zu seinem Mutterstern. Heutzutage sind Abschwächungen im Bereich von bis hinunter zu 5 mmag auch für Amateurastronomen erreichbar. Es ist allerdings eine Herausforderung. Die messbare „Verdunkelung“, i.e. die Dauer des Transit reicht von einigen Minuten bis zu vielen Stunden, je nach Umlaufdauer des Planeten. Die Messung kann sich somit über mehrere Stunden erstrecken, wobei auch in der Zeit vor und nach der Verdunkelung (je ca. 1 Stunde) gemessen wird.


Der Stern TrES-3 und sein Planet TrES-3 b

TrES-3 (GSC 03089-00929)* ist ein variabler Stern vom Spektraltyp G. Seine Oberflächentemperatur beträgt 5720 K. Er hat die 0,924-fache Masse und den 0,813-fachen Radius der Sonne. Er ist also unserer Sonne ähnlich. Allerdings ist er 757 Lichtjahre (Lj) von uns entfernt, weshalb er uns nur 12,4 mag (V) hell erscheint. [1]

Sein Planet, der Exoplanet TrES-3 b, wurde 2007 entdeckt. Er umkreist seinen Mutterstern auf einer Kreisbahn in einer Entfernung von gerade einmal 3,38 Mio. km, was eine Oberflächentemperatur von 1555 K zur Folge hat. Seine Umlaufzeit beträgt 1,3 Tage. Er hat die 1,9-fache Masse und einen 1,3-fachen Radius im Vergleich zu Jupiter. [2] [3]

Wenn schon so viel über diesen Stern und seinen Planeten bekannt ist, warum ist es dann trotzdem noch interessant, Transitmessungen durchzuführen? Zum einen ist es die Freude daran, als Amateur selbst den Beweis führen zu können, dass es außerhalb unseres Sonnensystems andere Sterne gibt, die ebenfalls von Planeten umkreist werden. Zum anderen werden wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt, ob es über Veränderungen der Transitdauer und der Transitmitte (sog. Timing Variations) in den Transitmessungen Hinweise auf andere bis jetzt nicht entdeckte Planeten in diesem System gibt. Deren gravitativer Einfluss würde solche Veränderungen bewirken. Bei einer großen Zahl von Messungen über einen längeren Zeitraum sollten solche Veränderungen erkannt werden. Da die großen professionellen Sternwarten für solche mindestens drei bis vier Stunden dauernden Messungen nicht in ausreichender Häufigkeit Messzeit zur Verfügung stellen, kommen hier Amateure zum Zuge. Auch wenn ihre Geräte meist nicht die Qualität der professionellen haben, wird dieser Mangel durch ihre viel größere Anzahl wettgemacht. Die Nutzung solcher Daten in wissenschaftlichen Arbeiten wird z. B. in [4] beschrieben.


Position von TrES-3, Quelle: Aladin

TrES-3 steht von der Erde aus gesehen im Sternbild Herkules. Das im Teleskop für die Kamera sichtbare Sternenfeld ist unten abgebildet. Einige Objekte dieser zweidimensionalen Projektion seien noch kurz beschrieben. Es zeigt sich, dass scheinbar benachbarte Objekte durchaus keine Nachbarn sind. Besonders weit entfernt dürften die beiden Galaxien MCG+06-39-023 und UGC 11015 sein. Außer der morphologischen Beschreibung wurden keine weiteren Daten gefunden. Ausgehend von der scheinbaren Größe dürften beide viele Millionen Lichtjahre entfernt sein. Die Sterne HD 163128 mit 1429 Lj und HD 163095 mit1624 Lj Entfernung sind uns verglichen dazu schon recht nah, wenn auch noch viel weiter entfernt als TRES-3. Am nächsten liegt uns HD 162752 mit 339 Lj Entfernung.


Das Sternenfeld um TrES-3 b (Galaxie MCG+06-39-023 [5], Galaxie UGC 11015 [6], Stern HD 163128 [7], Stern HD 163095 [8], HD 162752 [9])


Die Messung

Für die Planung der Messung wurde der Transit Finder des Swarthmore College aus Pennsylvania, USA verwendet [10]. Hier findet man alle für die Planung einer Transitmessung notwendigen Daten.


Ausschnitt aus dem Transit Finder


Die Messung bestand aus 69 einzelnen Aufnahmen des Sternfeldes mit dem zu untersuchenden Objekt. Hierbei war darauf zu achten, dass die einzelnen Sterne nicht überbelichtet wurden, d.h. dass die Kamera im sog. linearen Bereich ihrer Empfindlichkeit arbeitete. Hierdurch blieben die verschiedenen Aufnahmen und damit die Sternhelligkeiten vergleichbar. Für die Auswertung/Photometrie wurde die Software Muniwin 2.1 verwendet. Alle Aufnahmen wurden mit je 5 Flat-, Dark- und Bias-Aufnahmen justiert. Um Schwankungen der atmosphärischen Transmission auszugleichen, wurde die Helligkeit des Zielsterns immer in Relation zu mehreren Vergleichssternen gemessen.

Die Aufnahmen erfolgten am  27./28. 5. 2023 in der Zeit von 21:25 UTC bis 1:04 UTC. Der Mond war zu 53% belichtet und 95° vom Untersuchungsobjekt entfernt. Die nautische Dämmerung endete 21:23 UTC und begann um 1:26 UTC. Die Messungen erfolgten also bei ausreichender Dunkelheit. Der Mond schien nicht direkt in den Tubus. Die Lufttemperatur lag bei 4° C.


Der apparative Aufbau:
Teleskop: Newton 250 mm Öffnung, 1200mm Brennweite
Filter: L (Antlia)
Kamera: OHY268M (QHYCCD)
Chiptemperatur: -15° C
Gain: 60
Offset: 20


Die Ergebnisse

Die erhaltenen Messwerte wurden bei Exoplanet Transit Database (ETD) der Czech Astronomical Society eingereicht [11]. Hier erhält man nach einer Prüfung der Ergebnisse ein Diagramm, zusätzlich eine Ausgleichskurve und darauf aufbauende aus den eigenen Messungen abgeleitete Werte für den untersuchten Exoplaneten.


Transitlichtkurve aus ETD für TrES-3 b vom 27./28. 5. 2023 in der Zeit von 21:25 UTC (23:25 MESZ) bis 1:04 UTC (3:04 MESZ)


Folgende Daten für den Exoplaneten TrES-3 b wurden von ETD aus der gemessenen Transitlichtkurve ermittelt. In eckigen Klammern stehen die Katalogwerte des Transit Finders:

  • Mitte der Transitkurve: 23:35 [23:35] UTC
  • Tiefe der Transitkurve: 0,0218 +/- 0,0015 [0,0274] mag
  • Dauer des Transits: 80,7 +/-4,3 [85] Minuten


Folgende Parameter von TrES-3 b wurden von ETD aus den gemessenen Daten ermittelt. In eckigen Klammern stehen die Katalogwerte von ETD:

  • R (TrES-3 b): 1,119 +0,037 -0,039 R(Jupiter) [1,305 +/- 0.09 R(Jupiter)
  • Bahnneigung: 82,18 +0,50|1,93 -0,45|1,77° [82,15 +/- 0,21°]

Verwendet wurden von ETD: R (Stern) = 0,813 +/-0,027 R(Sonne), Bahnradius = 0,0226 +/- 0,0013 AU, Umlaufperiode = 1,3062 Tage


Anschauliche Darstellung des Transits (ETD)


Die eigene Messung (blau) der Dauer des Transits im Vergleich zu allen Messungen in ETD



Die eigene Messung (blau) der Tiefe des Transits im Vergleich zu allen Messungen in ETD


Diskussion der Ergebnisse

Die Mitte des Transits wurde sehr gut getroffen. Die gemessene Dauer des Transits stimmt innerhalb der Fehlergrenzen noch mit dem Katalogwert überein. Die gemessene Tiefe des Transits weicht allerdings stark vom Katalogwert ab, was sich dann auch im abgeleiteten Radius des Exoplaneten zeigt. Ein Grund hierfür kann sein, dass sich während der 3,5-stündigen Messung etwa ab der zweiten Hälfte der Messung Tau auf dem Hauptspiegel bildete, was in einer Aufhellung der Aufnahmen zu sehen war.

Insgesamt sind die erzielten Ergebnisse durchaus in für Amateure offenen Datenbanken, auf die Wissenschaftler zugreifen, verwendbar. In der bereits oben erwähnten Veröffentlichung von Vineet Kumar Mannaday et al [4] werden neben anderen Daten auch Messungen aus ETD verwendet.

In ETD wurde für die eigene Messung Qualitätsnote 3 erreicht (Bewertung läuft von 1 bis 5, wobei 1 sehr gut bedeutet und 5 sehr schlecht.). Eine weitere Verbesserung der Beobachtungstechnik und der -bedingungen (soweit möglich) ist natürlich wünschenswert. Mögliche Verbesserungen sind eine Verhinderung des Beschlagens des Hauptspiegels und Messungen ohne Mond. Der Einfluss störender Lichtquellen, insbesondere sich ändernde, wird wegen des städtischen Beobachtungsorts wohl nie vollständig gelingen.

Die Ergebnisse wurden auch in die Datenbank der American Association of Variable Star Observer (AAVSO) hochgeladen. [12]



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Quellen:

[1] http://simbad.cds.unistra.fr/simbad/sim-id?Ident=1SWASP+J175207.01%2B373246.3&NbIdent=1&Radius=2&Radius.unit=arcmin&submit=submit+id
[2] http://exoplanet.eu/catalog/tres-3_b/

[3] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/overview/TrES-3%20b#planet_TrES-3-b_collapsible

[4] Revisiting the Transit Timing Variations in the TrES-3 and Qatar-1 Systems with TESS Data,
Vineet Kumar Mannaday et al, The Astronomical Journal, 164:198 (20pp), 2022 November
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac91c2/pdf

[5] http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=MCG%2B06-39-023&NbIdent=1
http://ned.ipac.caltech.edu/byname?objname=UGC+11015&hconst=67.8&omegam=0.308&omegav=0.692&wmap=4&corr_z=1

[6] http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=UGC%2011015
http://ned.ipac.caltech.edu/byname?objname=UGC+11015&hconst=67.8&omegam=0.308&omegav=0.692&wmap=4&corr_z=1

[7] http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=HD+163128&NbIdent=1&Radius=2&Radius.unit=arcmin&submit=submit+id

[8] http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=%402898525&Name=HD+163095&submit=display+all+measurements#lab_meas

[9] http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=%40750100&Name=HD%20%2032147&submit=submit

[10] https://astro.swarthmore.edu/transits/transits.cgi

[11] http://var2.astro.cz/EN/tresca/index.php?lang=en

[12] https://app.aavso.org/exosite/?obscode=HGEA&in_notes=&star_name=TOI+1779&exoplanet_name=&start_date=&end_date=&results_per_page=&search=true


Anmerkung:

* TrES steht für „Trans-Atlantic Exoplanet Survey“. Es handelt sich um ein internationales Projekt zur Erforschung von Exoplaneten, insbesondere mit dem Ziel der Entdeckung und Charakterisierung von Planeten, die um andere Sterne als unsere Sonne kreisen. TrES-3 b ist einer der Exoplaneten, der im Rahmen des TrES-Projekts entdeckt wurde.
https://en.wikipedia.org/wiki/Trans-Atlantic_Exoplanet_Survey)