Der erste mit TESS in der habitablen Zone entdeckte erdgroße Planet

Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)


Eine schematische Darstellung der von TESS entdeckten Planeten um den in der Nähe gelegenen M-Zwerg TOI-700. Der dritte Planet (der vom Stern entfernteste), TOI-700d, liegt innerhalb der lebensfreundlichen Zone des Sterns (grün gezeigt). Mit der IRAC-Kamera an Bord von Spitzer konnte das Team die Werte für die Planetenmasse auf 2.1 Erdmassen und den Radius auf 1.14 Erdradien verfeinern. (Der Maßstab gibt 0.2 Astronomische Einheiten wieder; eine AE ist die durchschnittliche Entfernung der Erde von der Sonne.)
Rodriguez et al. 2020

TESS, der Transiting Exoplanet Survey Satellite, wurde 2018 zu dem Zweck gestartet, kleine Planeten um die nächstgelegenen Nachbarn der Sonne zu entdecken, Sterne, die hell genug sind, um im Anschluß Bestimmungen der Massen und Atmosphären ihrer Planeten zu ermöglichen. TESS hat bisher siebzehn kleine Planeten um elf nahe Sterne, sogenannte M-Zwerge – Sterne, die kleiner (weniger als ungefähr 60% der Sonnenmasse) und kühler (Oberflächentemperaturen von weniger als 3900 Kelvin) als die Sonne sind, entdeckt. In einer Abfolge von drei Arbeiten, die in diesem Monat gemeinsam erschienen sind, berichten Astronomen, daß einer dieser Planeten, TOI-700d, von Erdgröße ist und noch dazu in der lebensfreundlichen Zone des Sterns liegt; sie besprechen zudem sein mögliches Klima.

Die CfA-Astronomen Joseph Rodriguez, Laura Kreidberg, Karen Collins, Samuel Quinn, Dave Latham, Ryan Cloutier, Jennifer Winters, Jason Eastman und David Charbonneau gehörten zu den Teams, die TOI-700d untersuchten, einer von drei kleinen Planeten, die einen M-Zwergstern (dessen Masse beträgt 0.415 Sonnenmassen) umkreisen, der einhundertzwei Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Auswertung der TESS-Daten ergab, daß die vorläufigen Abmessungen der Planeten annähernd Erdgröße sowie Radien von 1.04, 2.65 und 1.14 Erdradien liefern und ihre Umlaufzeiten jeweils 9.98, 16.05 und 37.42 Tage betragen. In unserem Sonnensystem umkreist Merkur die Sonne in ungefähr 88 Tagen; er ist so nah an der Sonne, daß seine Temperatur 400 Grad Celsius erreichen kann. Da dieser M-Zwerg jedoch vergleichsweise kühl ist, platziert die Umlaufbahn dessen dritten Planeten, auch wenn er viel näher an seinem Stern als Merkur an der Sonne ist, in die lebensfreundliche Zone – die Region, in der es die Temperaturen erlauben, daß Oberflächenwasser (falls gegeben) flüssig bleibt, wenn es noch dazu eine Atmosphäre gibt. Dies macht den erdgroßen Planeten TOI-700d als mögliche Heimat für Leben höchst interessant.

Die Entdeckungen von TESS waren aufregend, aber unsicher: Die Signale waren schwach und es blieb eine kleine Wahrscheinlichkeit, daß der Nachweis von TOI-700d falsch war. Auf Grund der potenziellen Bedeutung des Auffindens eines nah gelegenen, erdgroßen Planeten in einer habitablen Zone, wendeten sich die Wissenschaftler der TESS-Mission für eine Bestätigung der IRAC-Kamera auf dem Spitzer-Weltraum-Observatorium zu. Bevor im Februar 2020 durch die NASA abgeschaltet, war die IRAC-Kamera bei weitem die empfindlichste Nahinfrarotkamera im Weltraum. Das TESS-Team beobachtete TOI-700 mit IRAC im Oktober 2019 und im Januar 2020 und erhielt eindeutige Nachweise für den Planeten mit ungefähr dem Doppelten des Signal-Rausch-Verhältnisses von TESS, ausreichend, um den Wert für die Umlaufbahn des Planeten um 61% zu verbessern und unser Wissen über dessen andere Eigenschaften beträchtlich zu verfeinern, etwa den Radius auf den oben angegebenen Wert zu präzisieren und um festzustellen, daß sich die Masse auf 2.1 Erdmassen beläuft. Die Ergebnisse, besonders wenn man sie mit den Eigenschaften anderer Planeten vergleicht, legen nahe, daß dieser Planet felsig sein kann und vermutlich „rotationsgebunden“ mit einer Seite des Planeten immer dem Stern zugewandt ist.

Wenn es auf der Oberfläche von TOI-700d flüssiges Wasser gäbe, würde es, so die Astronomen, auch wasserhaltige Wolken in der Atmosphäre geben und mit Hilfe von Klimasystemmodellen schätzt das Team dessen mögliche Eigenschaften ab und was empfindlichere Messungen finden könnten. Sie folgern jedoch, daß anstehenden Weltraummissionen, darunter JWST, vermutlich die Empfindlichkeit fehlen wird, um atmosphärische Strukturen um den Faktor zehn oder mehr zu entdecken. Die genauen Klimastudien der Teams werden Astronomen jedoch helfen, die Art von Teleskopen und Instrumenten einzugrenzen, die nötig sein werden, um diesen spannenden neuen Nachbarn zu untersuchen.

Literatur:

„The First Habitable-zone Earth-sized Planet from TESS. I. Validation of the TOI-700 System“

Emily A. Gilbert et al.

The Astronomical Journal 160, 116, 2020

oder

arXiv:2001.00952v2 [astro-ph.EP] 10 Jul 2020

„The First Habitable-zone Earth-sized Planet from TESS. II. Spitzer Confirms TOI-700 d“

Joseph E. Rodriguez et al.

The Astronomical Journal 160, 117, 2020

oder

arXiv:2001.00954v2 [astro-ph.EP] 11 Jun 2020

„The First Habitable-zone Earth-sized Planet from TESS. III. Climate States and Characterization Prospects for TOI-700 d“

Gabrielle Suissa, Eric T. Wolf, Ravi Kumar Kopparapu, Geronimo L. Villanueva, Thomas Fauchez, Avi M. Mandell, Giada Arney, Emily A. Gilbert, Joshua E. Schlieder, Thomas Barclay, Elisa V. Quintana, Eric Lopez, Joseph E. Rodriguez, and Andrew Vanderburg

The Astronomical Journal 160, 118, 2020

oder

arXiv:2001.00955v2 [astro-ph.EP] 29 Jun 2020