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Messung der Transitlichtkurve des Exoplaneten TOI 3952.01 am 10.01.2024

24.01.2024, Dr. Gerold Holtkamp

15.02.2024, Aktualisierung


Es wird die Messung der Transitlichtkurve des 1929 Lichtjahre entfernten Exoplaneten TOI 3952.01 beschrieben. Es handelt sich um einen erst vor kurzem entdeckten Exoplaneten. Die eigenen gemessenen Daten werden mit den wenigen vorliegenden Literaturwerten verglichen.


Einleitung

Der im April 2018 gestartete Satellit TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) der NASA ist die erste weltraumgestützte Transitsuchmission, die – im Gegensatz zu anderen Missionen wie z.B. Kepler (NASA) oder Cheops (ESA) – nahezu den gesamten Himmel abdeckt. Am Ende dieser zweijährigen Mission wurden von TESS 2.241 Exoplanetenkandidaten identifiziert, sogenannte TESS Objects of Interest (TOIs) [1]. Diese TOIs werden weiter untersucht, u.a. durch Transitmessungen. Hier sind die Profiastronomen gefordert, aber auch Amateurastronomen sind aufgerufen, Beiträge insbesondere durch Transitkurvenmessungen beizutragen.


Das Untersuchungsobjekt

Einer dieser entdeckten TOIs ist der Exoplanet TOI 3952.01. Er ist also erst vor sehr kurzer Zeit auf der Bühne der Exoplaneten aufgetaucht. Entsprechend gibt es bisher nur wenige Messungen (s. ExoFOP – The Exoplanet Follow-up Observing Program) [2].

Vom Mutterstern TOI 3952 weiß man zumindest, wenn auch noch mit großen Unsicherheiten, Folgendes [3]:
Effektive Oberflächentemperatur (K): 6786 +416/-249
Radius (Radius der Sonne): 1,57+0,06/-0.08
Masse (Masse der Sonne): 1,46 +0,38/-0,18
Entfernung (Lichtjahre): 1929 +24/-23


Sternenfeld (ca. 60′ x 40′) mit TOI 3952


Der Stern und sein Planet liegen im Sternbild Kepheus. Bis heute ist TOI 3952.01 auch noch nicht vom Exoplanetenkandidaten zum Exoplaneten befördert worden [2]. Als Beobachtungsobjekt ist er also ziemliches Neuland. Wer weiß schon, was zukünftige Messungen über ihn enthüllen werden? Er ist also auch für den Autor ein echtes Objekt von Interesse.


Die Messung

Die Nacht am 10.01.2024 war mondlos, kalt (bis -9°C) und windstill. Im Transitfinder [4] waren folgende Zeiten (UTC) angegeben: Beginn der Bedeckung: 19:03, Mitte der Bedeckung: 20:35, Ende der Bedeckung: 22:07

Mit über drei Stunden war dies eine relativ lange Bedeckung. Das Autoguiding verlief problemlos, so dass die Sterne punktförmig abgebildet wurden.


Die technische Ausrüstung:

Teleskop: Newton 250/1200 mm

Filter: L (Antlia)
Kamera: QHY268M mit Gain 60, Offset 20, Chiptemperatur -10° C

Guiding: Off Axis Guider mit PHD2


Das Teleskop am Ende der Messung


Auswertung MuniWin 2.1, Relative Helligkeit (mag) vs Zeit (UTC)

In der Zeit von 17:50 UTC bis 23:09 UTC wurden 153 Messpunkte aufgenommen. Jede Aufnahme wurde 120 s belichtet. Für die Auswertung mit MuniWin wurden zur Normierung der Aufnahmen je 10 Darks , Flats und Bias und außerdem sieben Vergleichssterne verwendet.


Die in MuniWin verwendeten Vergleichssterne (Bildausschnitt)


Ausschnittvergrößerung der Aufnahme des Sternenfeldes


In der Ausschnittvergrößerung der Aufnahme des Sternenfeldes erkennt man einen „kleinen Begleiter“ von TOI 3952. Eine seiner Bezeichnungen ist Gaia DR3 222215976763769. Er ist allerdings alles andere als ein Nachbar. Mit einer Entfernung von 4540 Lichtjahren ist er mehr als doppelt so weit von uns entfernt wie TOI 3952. Seine Oberflächentemperatur beträgt 5892 K [7]. Bei der (Apertur-)Photometrie von TOI 3952 könnte er allerdings einen Einfluss haben, da er bei bestimmten Blenden(Apertur)-Durchmessern mitgezählt werden würde. Er bringt es aber auf den Aufnahmen nur auf eine Zählrate von durchschnittlich ca. 6000, TOI 3952 dagegen auf ca. 620000. Aber immerhin 1%! Allerdings wird er bei der MuniWin-Photometrie nicht mitgezählt.


Screenshot aus MinuWin mit den Aperturen 5.27, 20, 30


Zwar werden bei den verwendeten Aperturgrößen zur Bestimmung des Untergrunds schwächere Sterne mitgenommen. Dies hat auf die Messkurve keinen merklichen Einfluss, wie eine Auswertung mit einer engeren Aperturkonstellation zeigt(s. Screenshot).


Screenshot aus MinuWin mit den Aperturen 5.27, 20, 22


Diese „Mitnahme“ anderer Sterne bei der Photometrie könnte einen Trend könnte verursachen, wenn sie mit einer mit der Transitdauer vergleichbaren Periode in ihrer Helligkeit veränderlich sind.


Die Auswertung

Bei Exoplanet Transit Database (ETD), einer Datenbank der tschechischen astronomischen Gesellschaft, kann man seine Daten automatisch auswerten lassen [5] [6]. Insbesondere wird auch ein möglicher Trend herausgerechnet und die sich ergebende Transitdauer und -tiefe angegeben.



QuelleTransitdauer
(Minuten)
Transittiefe
(mmag)
Transitmitte
(UTC)
Eigene Werte (aus ETD)195,4 +/- 3,215,0 +/- 0,620:37
ETD208,8613,720:12
Exofop183,36 +/- 3,5414,089 +/- 0,18 
Transitfinder18412,8920:35
    
Tabelle: Eigene gemessene Werte und Literaturwerte

Auswertung ETD, Relative Helligkeit (mag) vs Zeit (UTC)


Der gemessene Wert für die Transitdauer liegt zwischen den von ETD bzw. Exofop und Transitfinder angegebenen Werten. Bei der Transittiefe liegt der eigene Wert – auch unter Berücksichtigung der Fehler – oberhalb der Werte von ETD und Exofop und deutlich über dem von Transitfinder. Bei der Bestimmung der Mitte des Transits gibt es eine gute Übereinstimmung mit dem Transitfinder, allerdings eine starke Abweichung zur ETD.


Da die ETD- und Exofop- bzw. Transitfinder-Werte (ETD gibt keine Quelle an) auch untereinander stark variieren, kann man noch nicht von gesicherten Literaturwerten sprechen. Die Entdeckung liegt eben noch nicht weit zurück, so dass sich weitere Änderungen ergeben können. Es bleibt abzuwarten und zugleich spannend, welche Werte durch andere Autoren gemessen werden.


Aktualisierung am 15.02.2024

ETD hat mittlerweile seine Datenbank aktualisiert. Es wurden sowohl drei andere Messungen als auch die eigene Messung ausgewertet. Auch diese Messungen zeigen noch kein einheitliches Bild, so dass man noch nicht abschließend mit hinreichender Genauigkeit sagen kann, was die genauen Werte des Planeten sind. [8]


Eigene DatenETD
R(Exoplanet) = 1,792 +0,035 -0,036 R(Jupiter)R(Exoplanet) = 1,649 R(Jupiter)
R(Stern) = 1,567 R(Sonne)
Die Auswertung der eigenen Messdaten durch ETD


Aus der Transittiefe und dem Radius des Muttersterns hat ETD den Planetenradius errechnet. Es handelt sich bei TOI 3952.01 (auch TOI 3952 b genannt) also um einen deutlich größeren Planeten als Jupiter. ETD gibt keine Quelle für den Radius des Muttersterns an. Die eigenen Daten sind bei ETD zu finden unter [9].


Transittiefe in mmag vs Messzeitpunkt, blauer Kreis eigene Messung, Größe des Kreises entspr. Datenqualität (eigene Daten 3 von 5)



Transitdauer in Minuten vs Messzeitpunkt, blauer Kreis eigene Messung, Größe des Kreises entspr. Datenqualität (eigene Daten 3 von 5)


Diese Skizze aus ETD gibt ein anschauliches Bild über das Größenverhältnis des Exoplaneten und seines Muttersterns. Könnte man die notwendige laterale Auflösung erreichen, würde der Transit so aussehen.


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[1] Guerrero et al. 2021, Guerrero, N. M., Seager, S., Huang, C. X., et al. 2021, ApJS, 254:39

[2] https://exofop.ipac.caltech.edu/tess/target.php?id=321861405

[3] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/overview/TOI%203952.01#planet_TOI-3952-01_collapsible

[4] Transitfinder ist eine Datenbank des Swarthmore College (https://www.swarthmore.edu) in den USA zur Voraussage von Exoplanetentransits vor ihrem Mutterstern. Sie wurde für die Planung der vorliegenden Messung verwendet.

[5] http://var2.astro.cz/ETD/predictions.php

[6] Poddany S., Brat L., Pejcha O., New Astronomy 15 (2010), pp. 297-301,
Exoplanet Transit Database. Reduction and processing of the photometric data of exoplanet transits (arXiv:0909.2548v1)

[7]  Für diese Arbeit wurden Daten der Mission Gaia der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) (https://www.cosmos.esa.int/gaia) genutzt, die vom Gaia Data Processing and Analysis Consortium (DPAC, https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/dpac/consortium) bearbeitet wurden. Die Finanzierung des DPAC erfolgte durch nationale Institutionen, insbesondere durch die am Gaia Multilateral Agreement beteiligten Institutionen.

[8] http://var2.astro.cz/ETD/etd.php?STARNAME=TOI%203952.01&PLANET=b

[9] http://var2.astro.cz/EN/tresca/transit-detail.php?id=1705066312