Fotografischer Nachweis von Exoplaneten

Photometrische Lichtkurven können Transits extrasolarer Planeten dokumentieren. Lesen Sie die Anleitung, die das möglich macht.

Planetenfotografie muss nicht an den Grenzen unseres Sonnensystems enden. Die Suche nach Welten um andere Sonnen hat in den vergangenen rund 20 Jahren zur Entdeckung mehrerer tausend extrasolarer Planeten geführt. Einige dieser "Exoplaneten" lassen sich schon mit durchschnittlichen Amateurteleskopen relativ einfach fotografisch nachweisen.

Für den Nachweis von Exoplaneten durch Amateure bietet sich dabei die sogenannte Transitmethode an: Wird bereits vor der Bedeckung eines Sterns durch seinen Exoplaneten damit begonnen, die Helligkeit des Sterns kontinuierlich mit einer an das Teleskop adaptierten Kamera aufzuzeichnen, so zeigt sich bei der Datenauswertung später in der entstehenden Kurve der Sternhelligkeit eine Verringerung durch den Transit des Exoplaneten vor dem Stern. Am Ende des Transits nimmt die Helligkeit dann wieder zu.

Oft kann das für die Fotografie der Planeten unseres Sonnensystems vorhandene Equipment auch für den fotografischen Nachweis von Exoplaneten eingesetzt werden. Zum Nachweis von Exoplaneten haben sich Schmidt-Cassegrain-Teleskope mit 200mm bis 400mm Öffnung bewährt, da diese Teleskope nicht nur eine große Öffnung bieten, sondern auch, da sie in der Regel in einer Gabelmontierung betrieben werden, sodass der Vorteil dieses Montierungstyps genutzt werden kann: Die Beobachtung eines Exoplanetentransits sollte bei möglichst hohem Stand des Sterns über dem Horizont erfolgen und zieht sich meist über mehrere Stunden hin. Bei parallaktisch montierten Teleskopen wird daher meist ein Umschlagen der Montierung notwendig, das mit einer Neuausrichtung des Teleskops, ggf. einer Neuausrichtung der Kamera und einem Neustart des Guiders verbunden ist. Dies ist nicht nur eine unschöne Unterbrechung, sondern führt in der Regel auch dazu, dass die Aufnahmedaten einiger Minuten während des Transits fehlen. Hier haben die in Gabelmontierungen auf einer Polhöhenwiege montierten SC-Teleskope den Vorteil, dass die Beobachtung des Transits nahtlos ohne Unterbrechung erfolgen kann.

Die Öffnung des verwendeten Teleskops hat natürlich Einfluss auf die Anzahl der beobachtbaren Exoplaneten: Mit der 200mm Öffnung einer klassischen SCT-Optik lassen sich gut Transits von bekannten Exoplaneten bei Sternen bis zur 12. bis 14. Größenklasse nachweisen. Wobei der Nachweis umso leichter fällt, je größer die Helligkeitsschwankung ist, die der Transitplanet verursacht. Transite an lichtschwächere Sterne erfordern größere Teleskopöffnungen. Eine Nachführkontrolle (Auto-Guiding) der Montierung während des Transits ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass der beobachtete Stern während der gesamten mehrstündigen Beobachtungszeit auf dem Chip der CCD-Kamera gehalten wird.

Als Kamera sollte eine gekühlte CCD-Kamera verwendet werden. Bei der Größe des Aufnahmechips der Kamera ist darauf zu achten, dass im Bildfeld neben dem Transitstern noch weitere – etwa gleichhelle – Sterne abgebildet werden können, da diese später bei der Bildauswertung als Referenzsterne hilfreich sind.

Welche Exoplaneten-Transits sich zur Beobachtung anbieten, hängt neben dem verwendeten Teleskop vor allem vom Standort des Beobachters und natürlich ganz wesentlich von der Länge der Nacht ab – daher eignen sich lange Winternächte eher dazu, einen mehrstündigen Transit zu dokumentieren als kurze Sommernächte, bei denen Anfang oder Ende eines Transits ggf. in die Dämmerung fallen. Bei der Auswahl des zu dokumentierenden Transits hilft das Internet: In der von tschechischen Astronomen betriebenen "Exoplanet Transit Database" können nach Eingabe des Beobachtungsortes unter dem Menüpunkt "Transit predictions" tagesaktuelle Listen von Transits bekannter Exoplaneten für die kommenden Tage erstellt werden.

Bei der Auswahl eines zu beobachtenden Transits ist neben der Helligkeit des Sterns vor allem die zu erwartende Verdunkelung zu berücksichtigen. Für Anfänger bieten sich Exoplaneten-Transits an, die einen Helligkeitsabfall von mind. 0,m02 verursachen und bei Sternen bis zur 10. Größenklasse zu beobachten sind. Kurze Transitzeiten vereinfachen zudem die Beobachtung und führen schnell zu sichtbaren Ergebnissen und Erfolgserlebnissen. Bei der Auswahl eines Transits sollte darüber hinaus darauf geachtet werden, dass sowohl Beginn als auch Ende des Transits hoch über dem Horizont sichtbar sind – eine Transitbeobachtung im Zenit ist meist einfacher und vielversprechender als eine Beobachtung in Horizontnähe.

Ein sehr guter Kandidat für den Einstieg in die Exoplaneten-Beobachtung ist beispielsweise der Exoplanet HD 189733b: Ein Umlauf des Exoplaneten HD 189733b dauert nur 2,22 Tage (53 Stunden) und führt zu einer beobachtbaren Verdunkelung von etwa 2,5%, wobei der Transit des Planeten vor seinem Stern insgesamt nur 109 Minuten dauert. Die große Helligkeit des Sterns (7,m67), die schnelle Umlaufzeit des extrasolaren Planeten HD 189733b und die relativ große Verdunkelung machen HD 189733b zu einer sehr guten Wahl, wenn es um den Einstieg in die Exoplanetenbeobachtung geht. Das Aufsuchen von HD 189733b und seinem Mutterstern HD 189733 wird durch deren unmittelbare Nachbarschaft zu dem bekannten Hantelnebel M 27 vereinfacht.

Nach dem Aufsuchen des Sterns, dessen Positionierung zentral auf dem Aufnahmechip und dem Starten des Autoguiders kann der Stern des Exoplaneten kontinuierlich fotografiert werden, wobei es sich als hilfreich erwiesen hat, die Sternabbildung etwas zu defokussieren (sodass sich das Sternlicht auf mehrere Pixel verteilt) und darauf zu achten, dass die maximale Sättigung der Sternabbildung etwa 70–75% beträgt, um den Einfluss des Rauschens zu vermindern und ein Ausbrennen der Pixel zu vermeiden.

Zur Auswertung der gewonnenen Daten bieten sich verschiedene Software-Lösungen an, viele davon wurden ursprünglich für den Nachweis veränderlicher Sterne entwickelt und sind daher heute entsprechend ausgereift. Im Folgenden wird die Bildverarbeitung mithilfe des Programms "Muniwin" beschrieben.

Zunächst sind die Bilder aufeinander auszurichten, um fehlende Exaktheit in der Nachführung auszugleichen. Für die photometrische Bearbeitung ist nicht nur der Mutterstern des Exoplaneten zu markieren, sondern zusätzlich ein – möglichst gleichheller – Vergleichsstern sowie ein oder mehrere Check-Sterne, die von der Software ebenfalls zur Berechnung der Helligkeitsentwicklung herangezogen werden. Die Darstellung der in den Aufnahmen gefundenen Helligkeitsschwankungen erfolgt dann in einer anschaulichen grafischen Kurve des Helligkeitsverlaufs.

Nach dem Anlegen eines neuen Projektes zur Erstellung einer Lichtkurve können die Aufnahmen der Aufnahmeserie in Muniwin importiert werden, der zusätzliche Import von Flatfield- und Dunkelbildern ermöglicht dann die automatisierte Korrektur aller Rohaufnahmen der Serie. Nach der anschließenden Auswahl des Muttersterns und der Vergleichs- bzw. Prüfsterne kann die photometrische Auswertung der Aufnahmen gestartet werden. Im Ergebnis berechnet Muniwin nicht nur den Helligkeitsverlauf des Transitsterns im Vergleich zum Vergleichsstern, sondern die Helligkeitsunterschiede zwischen allen markierten Sternen (Transitstern, Vergleichsstern und Checksterne). Dies hat den Vorteil, dass man sich sehr schnell einen Überblick über die Qualität der Aufnahmen und der gewählten Vergleichssterne verschaffen kann, da die Helligkeitsunterschiede zwischen den Check-Sternen eine gerade Linie (und keine Kurve) ergeben sollten, da die Helligkeit dieser Sterne ja während der Aufnahmeserie unverändert geblieben sein sollte.

Ein klassisches Speichern des Ergebnisbildes und die sonst für Astrofotos übliche Anpassung von Kontrast und Tonwertumfang entfallen, da das wesentliche Ergebnis von Muniwin nach der Datenanalyse eine zunächst unscheinbare Textdatei der Analyseergebnisse ist.

Diese Analysedaten eines Exoplaneten-Transits können der "Exoplanet Transit Database" zur Verfügung gestellt werden, um so dazu beizutragen, die Umlaufzeiten des beobachteten Exponenten exakter zu berechnen. Darüber hinaus entsteht dort so eine Sammlung an Beobachtungsdokumentationen, die auch zeigen, welche Leistungen mit welcher Ausrüstung möglich sind. Nach dem Upload der Analyseergebnisse und deren Prüfung durch Astronomen der Exoplanet Transit Database erstellen diese eine Grafik, die den Verlauf des dokumentierten Exoplaneten-Transits anschaulich visualisiert.

Der Nachweis von extrasolaren Planeten ist sicherlich noch ein Randbereich der Amateurastronomie – dennoch besitzen viele Amateure schon das zum Exoplaneten-Nachweis notwendige Equipment. Der Nachweis von Exoplaneten ist zudem ein Bereich der Astronomie, bei dem derzeit auch Amateure noch ihren Beitrag zur Forschung liefern können – auch wenn die Entdeckung von Exoplaneten sicherlich durch Amateure immer schwieriger wird, können sie mit der Vermessung von bekannten Exoplaneten noch Daten beitragen, um die einzelnen Exoplaneten zukünftig besser verstehen und Transits vorhersagen zu können.

Autor: Ullrich Dittler / Lizenz: Oculum-Verlag GmbH