– Drei Exoplaneten und ein Kandidat –
21.8.2024, Dr. Gerold Holtkamp
Die Messungen der Transitlichtkurven von drei bestätigten und einem unbestätigten Exoplaneten werden vorgestellt. Hierbei handelt es sich um die Exoplaneten TrES-3b, HAT-P-18b, TOI-2154b um bestätigte und bei TOI-1251.01 um einen unbestätigten Exoplaneten.
Jeder von ihnen weist Besonderheiten auf, die es lohnend erscheinen lassen, sich näher mit ihnen zu befassen. Zum einen indem man die bereits vorhandenen Informationen studiert, zum anderen indem man sich selbst im Rahmen der eigenen Möglichkeiten an den laufenden Untersuchungen beteiligt. Die Messung von Transitlichtkurven der Exoplaneten durch Amateure wird von vielen professionellen Astronomen als wichtiger Beitrag für ihre Arbeit gesehen (s. z.B. das Exoclock-Projekt).
Eine Schönwetterphase ermöglichte es, Ende Juni bis Anfang August 2024 die Transitlichtkurven aufzunehmen.
TrES-3b
Entdeckt wurde TrES-3b 2007. Er ist ein alter „Bekannter“, da ich ihn bereits einmal beobachtet habe [1] [2]. Seine Transitlichtkurve ist relativ einfach zu messen. Somit war er ein guter Start nach einer langen Durststrecke von mehreren Monaten mit Wolken oder Vollmond oder beidem hier in Osnabrück. Die guten Bedingungen ermöglichten eine Bestimmung seines Radius aus der Absenkung der Lichtkurve.
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HAT-P-18b
Entdeckt wurde er 2010. Bei ihm liegt die Besonderheit vor, dass seine Umlaufrichtung entgegen der Rotationsrichtung seines Muttersterns ausgerichtet ist. Das kann man zwar aus der Transitlichtkurve nicht ableiten, wurde aber mit anderen Methoden festgestellt.
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TOI-2154b
Entdeckt wurde er 2023. Hier konnte ich tatsächlich bis jetzt nur eine Veröffentlichung finden, aus der auch alle über diesen Exoplaneten bekannten Daten stammen. Auch gibt es kaum Messungen der Transitlichtkurve durch andere Autoren. Aber immerhin ist er bereits ein bestätigter Exoplanet. Auch hier bleibt die weitere Entwicklung seiner Erforschung spannend.
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TOI-1251.01
Entdeckt wurde er 2019. Er ist ein sog. Exoplaneten-Kandidat, d.h. er ist nicht gesichert ein Planet. Es gibt sogar die starke Vermutung, dass es sich um einen braunen Zwerg handelt. So ist das, wenn man zeitlich so kurz nach der Entdeckung selbst mit einer Messung an solchen möglichen Exoplaneten beginnt. Man muss bedenken, dass man sich auf kaum erforschtem Gebiet befindet – durchaus reizvoll!
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Apparativer Aufbau bei allen Messungen
Der für alle in diesem Beitrag genannten Messungen verwendete apparative Aufbau war derselbe:
Teleskop: Newton 250 mm Öffnung, 1200mm Brennweite
Filter: L (Antlia)
Kamera: OHY268M (QHYCCD)
Chiptemperatur: -10° C
Gain: 60
Offset: 20
Die Ergebnisse
TrES-3b und der Mutterstern TrES-3
Messung am 18.7.2024
Daten des Systems [3]
TrES-3 (GSC 03089-00929)
Spektraltyp: G variabel
Scheinbare Helligkeit: 12,4 mag (V)
Entfernung: 754 Lichtjahre
Oberflächentemperatur: 5.720 K
Masse: 0,924-fache Masse der Sonne
Radius: 0,813-facher Radius der Sonne
Sternbild: Herkules
TrES-3 b
Entdeckung: 2007
Abstand zum Mutterstern: 3,38 Mio. km
Umlaufzeit: 1,3 Tage
Oberflächentemperatur: 1.555 K
Masse: 1,9-fache Masse des Jupiter
Radius: 90.884 km (Radius des Jupiter 69.911 km)
Messung
Die Messung der Transitlichtkurve (85 Min. + 120 Min. Baseline) erfolgte unter schwierigen Randbedingungen. Der Mond war zu 92% beleuchtet und nur 67° entfernt. Außerdem wurde es wegen der Mitternachtsdämmerung nicht vollständig dunkel. Die Höhe über dem Horizont verringerte sich von 75° bis auf 53°.
Messwerte
Die gemessenen Rohdaten wurden mit der Hops-Software des ExoClock Projekts ausgewertet. Die Auswertung ergab:
Rp/Rs = 0.1651 ± 0.0028 (erwartet lt. Exoclock: 0.17 ± 0.03)
Mit dem bekannten Sternradius (s.o.) und dem Sonnenradius (696.340 km) ergibt sich damit für den Radius des Planeten Rp = 93.467 +/- 1.585 km. (zur Berechnungsmethode s. [4])
Den Radius eines Exoplaneten in 754 Lichtjahren Entfernung zu bestimmen, obwohl man nur einen Lichtpunkt zur Verfügung hat: Das ist aus dem Stadtgebiet von Osnabrück möglich!
Die Bestimmung des genauen Timings des Transits ist eine wichtige Aufgabe des Exoclock-Projekts zur Vorbereitung der Ariel-Mission der ESA [5]
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HAT-P-18b und sein Mutterstern HAT-P-18
Messung am 28.7.2024
Daten des Systems [6] [7] [8]
HAT-P-18
Spektraltyp: K
Scheinbare Helligkeit: 12,6 mag (V)
Entfernung: 525 Lichtjahre
Oberflächentemperatur: 4790 K
Masse: 0,773-fache Masse der Sonne
Radius: 0,740-facher Radius der Sonne
Sternbild: Herkules
HAT-P-18b
Entdeckung: 2010
Abstand zum Mutterstern: 8,26 Mio. km (gr. Halbachse)
Umlaufzeit: 5,508 Tage
Oberflächentemperatur: 892 K
Masse: 0,197-fache Masse des Jupiter
Radius: 69.561 km (Radius des Jupiter 69.911 km)
Der Planet HAT-P-18b weist eine Besonderheit auf. Er umläuft seinen Mutterstern gegenläufig zur dessen Rotationsrichtung (retrograd) unter ca. 132°. [9] Das wirft natürlich sofort Fragen zu seiner Entstehungsgeschichte auf. So sind in unserem Sonnensystem die Umlaufrichtungen aller Planeten und die Rotationsrichtung der Sonne gleich, weil alle aus deselben ursprünglichen Gaswolke entstanden sind. HAT-18-P muss auf andere Weise an seinen Planeten HAT-P-18b gekommen sein. Aber wie?
Außerdem gibt es bereits Messungen, die zeigen, dass er einerseits eine ausgedehnte Atmosphäre hat, aber andererseits auch pro eine Milliarde Jahre etwa 2% seiner Masse aus der Atmosphäreverliert. Erste Messungen des JWST gaben in 2022 klare Hinweise auf Wasserdampf in der – allerdings sehr heißen – Atmosphäre von HAT-P-18b. [10]
Messung
Der Mond war zu 40% beleuchtet und 119° entfernt. Die Messung verlief im Wesentlichen problemlos. Allerdings hatte ich vermutlich die Belichtungszeit zu knapp an die Grenze zur Überbelichtung gelegt, so dass sich bei der späteren Analyse herausstellte, dass ab und zu einige wenige Pixel überbelichtet waren, was dem Ergebnis aber offensichtlich nicht geschadet hatte (weil es eben doch nur wenige waren). Eigentlich hätte die Belichtung über die etwa 4,5 Stunden Messperiode etwas abnehmen müssen, weil sich die Höhe des Beobachtungsobjekts von 67° zu Beginn auf 27° zum Ende verringerte. Aber wenn z.B. das Seeing in dieser Zeit besser geworden ist, kann es zu höheren Belichtungen gekommen sein. Eine Auswertung mit der HOPS-Software des Projekts Exoclock war deshalb nicht möglich, weil die Software sehr empfindlich auf überbelichtete Pixel in den einzelnen Aufnahmen reagiert.
Messwerte
Die gemessenen Rohdaten wurden mit MuniWin ausgewertet und die erhaltene Lichtkurve zur Exoplanet Transit Database (ETD) geschickt. Dort wird ein möglicher Trend in den Daten eliminiert, eine Ausgleichskurve gerechnet und Werte für die Transittiefe, -dauer, -beginn und -ende angegeben.
Die Auswertung ergab:
Transittiefe = 0,0285 ± 0.0008
Damit ergibt sich für Rp/Rs = 0,169 +/-0,028
Mit dem bekannten Sternradius (s.o.) und dem Sonnenradius (696.340 km) ergibt sich damit für den Radius des Planeten Rp = 90.968+/- 15.072 km (zur Berechnungsmethode s. [4]). Damit weicht der gemessene Wert auch innerhalb der Fehlergrenzen deutlich nach oben vom angegebenen Literaturwert ab.
Interessant ist allerdings, dass bei der Auswertung in ETD so gut wie alle Messungen der Transittiefe anderer Autoren nach oben vom Vorgabewert abweichen, also der Planetenradius ebenfalls größer gemessen wird als bei ETD erwartet wird. [11]
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TOI-2154b und sein Mutterstern TOI-2154
Messung am 29.7.2024
Daten des Systems[17][18]
TOI-2154
Spektraltyp: F
Scheinbare Helligkeit: 11,1 mag (V)
Entfernung: 965 Lichtjahre
Oberflächentemperatur: 6280 K
Masse: 1,233-fache Masse der Sonne
Radius: 1,396-facher Radius der Sonne
Sternbild: Kepheus
TOI-2154b
Entdeckung: 2023
Abstand zum Mutterstern: 7,67 Mio. km (gr. Halbachse)
Umlaufzeit: 3,82 Tage
Oberflächentemperatur: 1580 K
Masse: 0,92-fache Masse des Jupiter
Radius: 101.580 km (Radius des Jupiter 69.911 km)
Das sehr junge Entdeckungsdatum des Exoplaneten hat zur Folge, dass es kaum Messungen bzw. Publikationen zum System gibt. Er wird aber in [17] als gesicherter Exoplanet (Confirmed Planet) geführt. Die o.g. Daten des Systems stammen alle aus einer einzigen bisher vorliegenden Veröffentlichung [19].
Messung
Am Anfang der insges. 4,5 -stündigen Messung war es noch nicht vollständig dunkel. Der Mond war mit 30% Beleuchtung und 60° Entfernung nicht lange störend. Die Helligkeit von TOI-2154 mit 10,835 mag (kurze Belichtungszeit) und die erwartete, relativ schwache Absenkung von etwa 0,011 mag machten die Messung schwierig.
Messwerte
Die gemessenen Rohdaten wurden wieder mit MuniWin ausgewertet und die erhaltene Lichtkurve zur Exoplanet Transit Database (ETD) geschickt.
Für die Transitdauer ergaben sich 162,6 Min. (167 Min. Exoclock, 151 Min. Transitfinder) und die Transittiefe 0,0132 +/-0,0007 (0,0123 ETD, 0,0113 Exoclock, 0,0101 Transitfinder). Mit der Transittiefe kann wieder der Planetenradius bestimmt werden: Rp = 111.800 +/-25.719 km (zur Berechnungsmethode s. [4]). Dieser Wert ist zugegebenermaßen noch verbesserungswürdig, liegt aber innerhalb der Fehlergrenzen.
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TOI-1251.01 und sein Mutterstern TOI-1251
Messung am 24.7.2024
Daten des Systems [12] [13]
TOI-1251
Spektraltyp: unbekannt
Scheinbare Helligkeit: 11,5mag (V)
Entfernung: 607 Lichtjahre
Oberflächentemperatur: 5769 K
Masse: 1,057-fache Masse der Sonne
Radius: 0,9860-facher Radius der Sonne
Sternbild: Drache
TOI-1251.01 (candidate planet)
TIC 233120979.01
Entdeckung: 2019
Abstand zum Mutterstern: unbekannt
Umlaufzeit: 5,963 Tage
Oberflächentemperatur: unbekannt
Masse: 96-fache Masse des Jupiter (? s. unten)
Radius: 62.850 km (Radius des Jupiter 69.911 km)
Bei TOI-1251.01 handelt es sich um einen sog. Exoplaneten-Kandidaten, d.h. es wurde von TESS zwar eine Lichtkurve gemessen, für einen gesicherten Exoplaneten wird aber eine Bestätigung mit einer anderen Methode gefordert, z.B. Messung der Oberflächentemperatur und/oder der Masse. Hier läuft offensichtlich noch die Diskussion. Wurde im Jahr 2021 noch von einem Exoplaneten ausgegangen, wurden im Jahr 2023 Messergebnisse veröffentlicht, die auf einen braunen Zwerg hindeuten, weil für TOI-1251.01 eine 96-fache Jupitermasse gemessen wurde [14] [15] [16]. Allerdings wird in einer Tabelle derselben Veröffentlichung dann doch wieder von „Radius of planet in stellar radii“ gesprochen. Es bleibt abzuwarten, wie die Diskussion weitergeht.
So ist es auch für einen Amateur spannend, sich in astronomischem „Neuland“ zu bewegen. Wenn TOI-1251.01 als brauner Zwerg definiert wird, muss er wieder aus meiner „Exoplaneten-Sammlung“ gestrichen werden.
Messung
Der Mond war zu 83% beleuchtet und war 90° entfernt. Die Messdauer insgesamt (Transit und Baseline) betrug fünf Stunden. Die Höhe über dem Horizont veränderte sich von 79° bis auf 53°. Die Luftfeuchtigkeit war hoch.
Messwerte
Die gemessenen Rohdaten wurden mit MuniWin ausgewertet und die erhaltene Lichtkurve zur Exoplanet Transit Database (ETD) geschickt. Dort wurde wieder ein möglicher Trend in den Daten eliminiert, eine Ausgleichskurve gerechnet und Werte für die Transittiefe, -dauer, -beginn und -ende angegeben.
Allerdings gibt es bei ETD noch keine Lichtkurven anderer Autoren, sodass die Vergleichsgrafiken für Transitmitte, -dauer und -tiefe hier nicht gezeigt werden können.
Als gemessene Transittiefe ergab sich 0,0129 +/-0,0004 mag (0,011 mag Transitfinder (Link)). Als Transitdauer ergab sich 184,2 +/-2,1 Minuten (177 Minuten Transitfinder). Die Mitte des Transits wird mit 23:40:58 UTC (23:39 UTC Transitfinder) am 24.7.2024 angegeben.
Aus der gemessenen Transittiefe lässt sich – wenn man den Radius des Muttersterns kennt – der Radius des Objekts (Exoplanet oder brauner Zwerg) berechnen (zur Berechnungsmethode s. [4]):
Radius(TOI-1251.01) = SQR(0,0129) * Radius(TOI-1251) = 77.982 +/- 13.732 km (Radius des Jupiter 69.911 km) Nach o.g. Quelle, wäre der Wert zu groß. Allerdings variieren auch die Werte von Transitfinder (70.355 km) und Exofop (75.241 km) [13]. Es bleibt nur, auf weitere Messungen zu warten.
– Hier geht’s zurück zur Kurzbeschreibung am Anfang. –
[1] https://kosmos-os.de/messung-der-transitkurve-des-exoplaneten-tres-3-b-am-27-5-2023/
[2] https://www.exoclock.space/database/observations/TrES-3b_6543_2023-05-27_Gerold_1561_Lum/
[3] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/overview/TrES-3%20b
[5] https://arielmission.space/
[6] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/overview/HAT-P-18
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/HAT-P-18
[8] https://science.nasa.gov/exoplanet-catalog/hat-p-18-b/
[9] M. Esposito et al. Astronomy&Astrophysics 564, L13 (2014) https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2014/04/aa23735-14.pdf
[10] Guangwei Fu et al. The Astrophysical Journal Letters, 940:L35 (8pp), 2022 December 1 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac9977/pdf
[11] http://var2.astro.cz/ETD/etd.php?STARNAME=HATS-18&PLANET=b
[12] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/overview/TOI-1251
[13] https://exofop.ipac.caltech.edu/tess/target.php?id=233120979
[14] Howell, S. B., et al. 2021, Astrophysical Journal 161, 164 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/abdec6/pdf
[15] Jia-Qi Wang et al 2024 Res. Astron. Astrophys. 24 035012
https://arxiv.org/pdf/2310.12458
[16] https://de.wikipedia.org/wiki/Brauner_Zwerg
[17] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/overview/TOI-2154b
[18] https://science.nasa.gov/exoplanet-catalog/toi-2154-b/
[19] Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 521, Issue 2, May 2023, Pages 2765–2785, https://doi.org/10.1093/mnras/stad595
